Řez 3-D simulací turbulentního shluku molekulárního vodíku. Obrazový kredit: Mark Krumholz. Klikni pro zvětšení
Astrofyzici na Kalifornské univerzitě, Berkeley a Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) explodovali jednu ze dvou konkurenčních teorií o tom, jak se hvězdy tvoří uvnitř obrovských mraků mezihvězdného plynu.
Tento model, který je mladší než 10 let a je prosazován některými britskými astronomy, předpovídá, že mezihvězdné vodíkové mraky vytvářejí shluky, ve kterých se tvoří několik malých jader - semena budoucích hvězd. Tato jádra, kratší než světelný rok, se zhroutí pod svou vlastní gravitací a soutěží o plyn v okolním shluku, často získávají 10 až 100krát svou původní hmotnost z shluku.
Alternativní model, často nazývaný teorie „gravitačního kolapsu a fragmentace“, také předpokládá, že mraky vytvářejí shluky, ve kterých se tvoří protostelární jádra. Ale v této teorii jsou jádra velká a ačkoli se mohou rozdělit na menší kousky, aby vytvořily binární nebo vícenásobné hvězdné systémy, obsahují téměř veškerou hmotu, jakou kdy budou.
"Při konkurenčním nárůstu jsou jádra semena, která rostou a stávají se hvězdami; na našem obrázku se jádra mění v hvězdy, “vysvětlil Chris McKee, profesor fyziky a astronomie na UC Berkeley. "Dosavadní pozorování, která se zaměřují především na oblasti nízkohmotných hvězdných útvarů, jako je slunce, jsou v souladu s naším modelem a nejsou v souladu s jejich."
"Konkurenční narůstání je velká teorie formace hvězd v Evropě a my si nyní myslíme, že je to teorie mrtvých," dodal Richard Klein, přídavný profesor astronomie na UC Berkeley a výzkumný pracovník v LLNL.
Mark R. Krumholz, nyní postdoktorand na Princetonské univerzitě, McKee a Klein hlásí svá zjištění v 17. listopadu vydání časopisu Nature.
Obě teorie se snaží vysvětlit, jak se hvězdy vytvářejí v chladných mracích molekulárního vodíku, asi 100 světelných let napříč a obsahujících 100 000krát větší množství našeho slunce. Takové mraky byly vyfotografovány v zářivých barvách vesmírnými dalekohledy Hubble a Spitzer, dynamika zhroucení mraků na jednu nebo více hvězd však zdaleka není jasná. Teorie formování hvězd je rozhodující pro pochopení toho, jak se formují galaxie a shluky galaxií, řekl McKee.
"Formování hvězd je velmi bohatým problémem, který zahrnuje otázky, jako jsou hvězdy jako slunce, proč je velmi velké množství hvězd v binárních hvězdných systémech a jak hvězdy desetkrát až stokrát přesahují hmotu sluneční formy," řekl. "Masivnější hvězdy jsou důležité, protože když explodují v supernově, produkují většinu těžkých prvků, které vidíme v materiálu kolem nás."
Konkurenční akreční model byl vylíhnut na konci 90. let v reakci na problémy s modelem gravitačního kolapsu, který, jak se zdálo, měl potíže vysvětlit, jak se tvoří velké hvězdy. Teorie nemohla zejména vysvětlit, proč intenzivní záření z velké protostarské hvězdy jen neodfoukne vnější vrstvy hvězdy a nezabrání tomu, aby se zvětšovaly, i když astronomové objevili hvězdy, které jsou 100krát větší než hmotnost Slunce.
Zatímco teoretici, mezi nimi McKee, Klein a Krumholz, pokročili v teorii gravitačního kolapsu dále směrem k vysvětlení tohoto problému, teorie konkurenčního narůstání se stále více střetává s pozorováním. Například teorie narůstání předpovídá, že hnědí trpaslíci, kteří jsou zkaženými hvězdami, jsou vyhazováni ze shluků a ztratí své obíhající disky plynu a prachu. V minulém roce však bylo s planetovými disky nalezeno mnoho hnědých trpaslíků.
"Konkurenční akreční teoretici ignorovali tato pozorování," řekl Klein. "Konečným testem jakékoli teorie je, jak dobře souhlasí s pozorováním, a tady se zdá, že teorie gravitačního kolapsu je jasným vítězem."
Model používaný Krumholzem, McKeeem a Kleinem je superpočítačová simulace složité dynamiky plynu uvnitř vířícího se turbulentního oblaku molekulárního vodíku, který narůstá na hvězdu. Jedná se o první studii účinků turbulence na rychlost, s jakou hmota narůstá, když se pohybuje přes oblak plynu, a demoluje teorii „konkurenčního narůstání“.
Zaměstnali 256 paralelních procesorů v superpočítačovém centru v San Diegu v UC San Diego a svůj model provozovali téměř dva týdny, aby ukázali, že přesně reprezentuje dynamiku formování hvězd.
"Šest měsíců jsme pracovali na velmi, velmi podrobných simulacích s vysokým rozlišením, abychom tuto teorii vyvinuli," řekl Klein. "Poté, co máme tuto teorii v ruce, jsme ji aplikovali na oblasti vytvářející hvězdy s vlastnostmi, které by člověk mohl získat z oblasti vytvářející hvězdy."
Modely, které byly také provozovány na superpočítačích v Lawrence Berkeley National Laboratory a LLNL, ukázaly, že turbulence v jádru a okolním shluku by zabránily nárůstu v přidávání velké hmotnosti k protostar.
"Ukázali jsme, že kvůli turbulenci nemůže hvězda účinně nashromáždit mnohem více hmoty z okolního shluku," řekl Klein. "V naší teorii, jakmile se jádro zhroutí a fragmentuje, má tato hvězda v podstatě veškerou hmotu, jakou kdy bude mít." Pokud se narodilo v jádru s nízkou hmotností, skončí to jako hvězda s nízkou hmotností. Pokud se narodí v jádru s vysokou hmotností, může se stát hvězdou s vysokou hmotností. “
McKee poznamenal, že superpočítačová simulace vědců naznačuje, že konkurenční narůstání může dobře fungovat pro malé mraky s velmi malými turbulencemi, ale ty se zřídka, pokud vůbec, vyskytují a dosud nebyly pozorovány. Reálné oblasti tvorby hvězd mají mnohem více turbulencí, než se předpokládá v akrečním modelu, a turbulence se rychle nerozkládá, jak tento model předpokládá. Některé neznámé procesy, zřejmě vytékající z protostarů, udržují plyny nahuštěné tak, aby se jádro rychle nerozpadlo.
"Turbulence se staví proti gravitaci; bez něj by se molekulární mrak zhroutil mnohem rychleji, než bylo pozorováno, “řekl Klein. "Obě teorie předpokládají, že tam existuje turbulence." Klíčem je (to), že probíhají procesy, když se začnou formovat hvězdy, které udržují turbulenci naživu a zabraňují rozpadu. Konkurenční akreční model nemá žádný způsob, jak to začlenit do výpočtů, což znamená, že nemodelují skutečné regiony vytvářející hvězdy. “
Klein, McKee a Krumholz pokračují v zdokonalování svého modelu, aby vysvětlili, jak záření z velkých protostarů uniká, aniž by odfoukli veškerý nafukující plyn. Například ukázali, že část záření může uniknout skrz dutiny vytvořené tryskami, které vyzařují z pólu mnoha hvězd ve formaci. Mnoho předpovědí teorie může být zodpovězeno novými a většími dalekohledy, které jsou nyní ve výstavbě, zejména citlivý dalekohled ALMA s vysokým rozlišením, který v Chile konstruuje konsorcium amerických, evropských a japonských astronomů, uvedl McKee.
Práce byla podpořena Národní správou letectví a vesmíru, Národní vědeckou nadací a ministerstvem energetiky.
Původní zdroj: UC Berkeley News Release
