Kā veidojas zvaigznes?
Mēs zinām, ka tie veidojas no masīvām struktūrām, ko sauc molekulārie mākoņi , kas paši veido no Starpzvaigžņu vide (ISM). Bet kā un kāpēc veidojas noteikta veida zvaigznes? Kāpēc dažās situācijās veidojas zvaigzne, piemēram, mūsu Saule, salīdzinot ar sarkano punduri vai zilo milzi?
Tas ir viens no galvenajiem jautājumiem astronomijā. Tas ir arī ļoti sarežģīts.
ISM ir matērija un enerģija starp Saules sistēmām galaktikā. Zvaigžņu veidošanās sākas, kad ISM sadalās milzīgos gāzes mākoņos, ko sauc par molekulārajiem mākoņiem, kas ir zvaigžņu priekšteči. Zinātniekiem ir jautājumi par turbulences lomu šajā sadrumstalotībā un to, kā tā ietekmē zvaigžņu veidus, kas galu galā veidojas.
ISM ir sarežģītas attiecības ar zvaigznēm. Pēc zvaigžņu veidošanās tās galu galā atdod materiālu atpakaļ ISM caur supernovas , planētu miglāji , un zvaigžņu vēji . Šī turp un atpakaļ starp zvaigznēm un ISM nosaka galaktikas zvaigžņu veidošanās ātrumu un tās zvaigžņu veidošanās mūža ilgumu.
Turbulencei tajā visā ir galvenā loma. Jauns pētījums piedāvā ISM gāzes simulāciju un to, kā tas veido molekulāros mākoņus. Jaunā pētījuma autori vēlējās to labāk izprast, un viņi veica šīs turbulences augstākās izšķirtspējas superdatoru simulācijas.
Viņu papīra nosaukums ir ' Skaņas mērogs, ko atklāj pasaulē lielākā virsskaņas turbulences simulācija ”. Pirmais autors ir Kristofs Federats, Heidelbergas Universitātes Astronomijas centra Teorētiskās astrofizikas institūta (ITA) profesors. Pētījums ir publicēts Nature Astronomy.
Turbulence ISM ne tikai nosaka zvaigžņu veidošanās ātrumu; tas nosaka veidojošos zvaigžņu veidus. Šajā ziņā tas ietekmē arī planētu veidošanos un, ja šīs planētas var būt kaut kas līdzīgs Zemei. Tātad turbulences izpēte nav kaut kāda ezotēriska pieskare astronomijā. Tas ir tieši saistīts ar planētām, pat ar dzīvību.
ISM nav vienmērīgi sadalīts telpā starp zvaigznēm. Tas tiek sadalīts līdzīgi kā dūmi ceļas un krīt un plūst turbulences dēļ. Pēc pētījuma autoru domām, turbulence ir atslēga, lai saprastu, kā gāze sadrumstalo.
Attēlā parādīta turbulences simulācijas kuba daļa. Krāsas parāda blīvuma kontrastu attiecībā pret gāzes vidējo blīvumu. Tās nemierīgā struktūra ir skaidri atpazīstama. Jo īpaši parādās daudzās trieciena frontes, kuras var atpazīt pēc krasām blīvuma izmaiņām no augsta blīvuma (gaiši oranža) līdz zemam blīvumam (tumši violeta). Tas ir īpaši skaidri redzams palielinātajā sadaļā. (Avots: C. Federrath) Attēla kredīts: Federrath et al, 2021.
Pastāv līdzības starp turbulenci ISM un turbulenci dūmu mākoņos. Liela mēroga turbulencei abos ir tendence samazināties līdz mazāka mēroga turbulencei. Taču salīdzinājums nav ideāls: ISM ir ārkārtīgi vājš, ar tikai no 1 līdz 100 daļiņām uz kvadrātcentimetru tilpuma. Acīmredzot dūmi ir daudz blīvāki par to.
Plānā ISM turbulentā enerģija samazinās līdz mazākam mērogam nekā dūmos ne tikai tāpēc, ka tie ir plāni, bet arī tāpēc, ka ISM ir ļoti zema viskozitāte. Galu galā šī kaskāde samazina turbulentās kustības ātrumu pāri slieksnim no virsskaņas ātruma uz skaņas ātrumu.
Turbulencei šķērsojot šo slieksni, gāzes mākonis mainās no turbulences dominējoša uz gravitācijas spēku. Kad un kā tas notiek, nosaka molekulāro mākoņu blīvo kodolu lielumu. Un tieši blīvie serdeņi noved pie zvaigžņu veidošanās.
Šajā attēlā redzamais apgabals ir pazīstams kā Polāra uzliesmojums — putekļu un gāzu reģions Mazās Ursas zvaigznājā, 490 gaismas gadu attālumā no Zemes. To uzņēma ESA Herschel infrasarkanās telpas observatorija un attēloja kā krāsu kompozītu. Tajā redzami vairāki sapinušies starpzvaigžņu pavedieni, kas stiepjas desmitiem gaismas gadu cauri telpai. Pavedienos ir iestrādāti blīvāki materiāla plankumi, kas nākotnē varētu kļūt par zvaigznēm. Federrath un viņa kolēģi salīdzināja šo pavedienu un citu molekulāro mākoņu reģionu īpašības ar savām simulācijām un atrada ļoti labu vienošanos. (Avots: ESA un SPIRE & PACS konsorcijs, Ph. André (CEA Saclay) Gould’s Belt Survey Key Programme Consortium un A. Abergel (IAS Orsay) par Starpzvaigžņu putekļu atslēgas programmas konsorcija attīstību)
Šī pāreja no turbulences uz dominējošo gravitāciju ir fiziska atrašanās vieta mākonī, un, neskatoties uz teorētiskajām prognozēm, pārejas zonas atrašanās vieta, forma un platums nebija zināmi. Tas ir sarežģītības dēļ.
'Fizikālie procesi ir tik ārkārtīgi sarežģīti, ka to mijiedarbību var izpētīt tikai ar datorsimulāciju palīdzību,' sacīja pētījuma līdzautors profesors Rafls Klesens no Heidelbergas universitātes.
Klesens vada pētniecības grupu universitātē, un viņi izmantoja aprīkojumu Leibnicas superskaitļošanas centrs veikt simulācijas.
Federats un viņa kolēģi modelēja turbulenci abās virsskaņas un skaņas skalas pusēs. Šīs turbulences dinamika gāzu mākoņos ir ārkārtīgi sarežģīta, un tās modelēšanai bija nepieciešama ārkārtēja skaitļošanas jauda. 'Mūsu īpašajai simulācijai, kurā mēs vēlamies sekot gan virsskaņas, gan zemskaņas turbulences kaskādēm ar skaņas skalu pa vidu, mums ir jāatrisina vismaz četras lieluma kārtas telpiskā mērogā,' paskaidroja Federats. preses relīze .
Šis ir komandas simulācijas video ekrānuzņēmums. Noklikšķiniet, lai skatītu. Kredīts: Federrath et al 2021.
Pēc pētnieku komandas domām, viņu simulācijas bija pārsteidzošas un apstiprināja teorētiskās prognozes. Viņi varēja atrast pārejas zonas pozīciju starp virsskaņas un skaņas skalām, kā arī kvantitatīvi noteikt tās platumu un formu. Viņi arī atklāja, ka pāreja nav skaidri noteikta, bet tā notiek plašā mērogā.
Ne tikai tas, bet arī viņi salīdzināja savas simulācijas rezultātus ar novērojumiem gāzes mākonis Piena ceļā. Šie novērojumi apstiprināja viņu secinājumus.
'Teorētiski šī pārejas zona nosaka biežumu, ar kādu starpzvaigžņu gāzes mākoņos var atrast blīvus kodolus,' skaidroja prof. Klesens. 'Tāpēc mēs esam salīdzinājuši savas prognozes ar gāzu mākoņa IC5146 novērojumiem Piena ceļā un panākuši ļoti labu vienošanos. Tas ir iepriecinošs rezultāts,' viņš piebilda.
Plašāka astronomijas pētnieku kopiena ir ņēmusi vērā komandas darbu. Kristofers Makkijs no UC Bērklija Astronomijas departamenta un Džeimss Stouns no Prinstonas, Ņūdžersijas Padziļināto pētījumu institūta, rakstīja Jaunumi un skati gabals Nature Astronomy runā par šī pētījuma nozīmi.
'Zvaigžņu veidošanai ir galvenā nozīme astrofizikā,' viņi skaidro. 'Tas noved ne tikai pie daudzveidīgā zvaigžņu diapazona, kas novērots Visumā, bet arī (netieši) pie planētu un melno caurumu veidošanās, smago elementu radīšanas, starpzvaigžņu vides un apkārtējās galaktikas vides aktivizēšanas, izmantojot atgriezenisko saiti no starojums, vēji un supernovas, un pat galaktiku evolūcija.
Karīnas miglāja Habla panorāmas attēls, kas parāda zvaigžņu vēju un masīvu zvaigžņu jonizējošā starojuma nemierīgo ietekmi uz molekulārā mākoņa, no kura dzima zvaigznes. Attēla autoritāte: NASA / ESA / N. Smits (Kalifornijas Universitāte, Bērklijs) / Habla mantojuma komanda (STScI/AURA).
Molekulāro mākoņu un zvaigžņu veidošanās laika skalas dēļ to nevar pētīt novērojumos. To var risināt tikai ar simulācijām, un pēc tam šo simulāciju rezultātus var salīdzināt ar novērojumiem, piemēram, šajā jaunajā pētījumā. 'Sarežģītā un nelineārā virsskaņas turbulences struktūra padara skaitliskos eksperimentus par būtisku, lai izprastu zvaigžņu veidošanās fiziku,' savā rakstā raksta pāris.
Un Federrath un viņa kolēģi ir veikuši visstingrāko un detalizētāko simulāciju. Strauja skaitļošanas jaudas attīstība ir ļāvusi veikt šāda veida simulācijas, un, kā norāda Makkijs un Stouns, šajā simulācijā izmantotais superdators jau ir pārspēts jaudas ziņā.
Zinātniekiem, kas pēta šo problēmu, jaudīgu datoru un tikpat jaudīgas programmatūras attīstība virza izpratnes robežas. “Gan Amerikas Savienotajās Valstīs, gan Eiropā plāno izveidot tā sauktās eksa mēroga sistēmas (var 1018Ir paziņots par peldošā komata aprēķiniem sekundē, kas ir aptuveni desmit reizes ātrāks nekā pašreizējie superdatori), kas būs pieejami dažos nākamajos gados,” raksta Makkijs un Stouns. 'Lai gan tas būs liels izaicinājums izstrādāt zinātnisku programmatūru, kas var pilnībā izmantot šādas sistēmas, skaitļošanas pieeju nākotne daudzu astrofizikas problēmu, tostarp zvaigžņu veidošanās, izpētei joprojām ir ļoti spilgta.'
Vairāk:
- Preses relīze: Starpzvaigžņu vides turbulences simulācija pārspēj rekordus
- Jauns pētījums: Starpzvaigžņu turbulences skaņas skala
- Jaunumi un skati: Turbulence debesīs
- Visums šodien: Astronomi kartē izejmateriālu jaunu zvaigžņu veidošanās Piena ceļā