Rez pomocou trojrozmernej simulácie turbulentného zhluku molekulárneho vodíka. Obrazový kredit: Mark Krumholz. klikni na zväčšenie
Astrofyzici z Kalifornskej univerzity v Berkeley a Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) explodovali v jednej z dvoch konkurenčných teórií o tom, ako sa hviezdy tvoria v obrovských oblakoch medzihviezdneho plynu.
Tento model, ktorý má menej ako 10 rokov a je podporovaný niektorými britskými astronómami, predpovedá, že medzihviezdne vodíkové oblaky vytvárajú zhluky, v ktorých sa tvorí niekoľko malých jadier - semienka budúcich hviezd. Tieto jadrá, kratšie ako jeden svetelný rok, sa zrútia pod vlastnou gravitáciou a súťažia o plyn v okolitom zhluku, ktorý často získava 10 až 100-násobok svojej pôvodnej hmotnosti zo zhluku.
Alternatívny model, často nazývaný teória „gravitačného zrútenia a fragmentácie“, tiež predpokladá, že oblaky vytvárajú zhluky, v ktorých sa tvoria protostelárne jadrá. Ale v tejto teórii sú jadrá veľké a hoci sa môžu rozpadnúť na menšie kúsky, aby vytvorili binárne alebo viacnásobné hviezdne systémy, obsahujú takmer všetku hmotu, akú kedy budú mať.
„Pri konkurenčnom náraste sú jadrá semená, ktoré rastú na hviezdy; na našom obrázku sa jadrá menia na hviezdy, “vysvetlil Chris McKee, profesor fyziky a astronómie na UC Berkeley. „Doterajšie pozorovania, ktoré sa zameriavajú predovšetkým na oblasti nízkohmotných hviezdnych útvarov, ako je slnko, sú v súlade s naším modelom a nie sú v súlade s ich modelmi.“
„Konkurenčné narastanie je veľká teória formovania hviezd v Európe a teraz si myslíme, že je to teória mŕtvych,“ dodal Richard Klein, vedľajší profesor astronómie na UC Berkeley a výskumný pracovník v LLNL.
Mark R. Krumholz, teraz postdoktorandský doktorát na Princetonskej univerzite, McKee a Klein informujú o svojich zisteniach v 17. vydaní časopisu Nature.
Obidve teórie sa snažia vysvetliť, ako sa hviezdy tvoria v chladných oblakoch molekulárneho vodíka, asi 100 svetelných rokov naprieč a obsahujúcich 100 000-násobok hmotnosti nášho slnka. Takéto oblaky boli fotografované v žiarivých farbách pomocou vesmírnych teleskopov Hubbleov a Spitzerov, dynamika rozpadu mraku na jednu alebo viac hviezd však nie je ani zďaleka jasná. Teória formovania hviezd je rozhodujúca pre pochopenie toho, ako sa formujú galaxie a zhluky galaxií, uviedol McKee.
"Tvorba hviezd je veľmi bohatým problémom, ktorý zahŕňa otázky, ako sú hviezdy ako slnko, prečo je veľmi veľa hviezd v dvojhviezdnych systémoch a ako hviezdy desať- až stokrát väčšie množstvo slnečnej formy," povedal. "Hmotnejšie hviezdy sú dôležité, pretože keď explodujú v supernove, produkujú väčšinu ťažkých prvkov, ktoré vidíme v materiáli okolo nás."
Konkurenčný model narastania bol vyliahnutý koncom 90. rokov ako reakcia na problémy s modelom gravitačného kolapsu, ktorý, ako sa zdá, mal problémy vysvetliť, ako sa tvoria veľké hviezdy. Teória nedokázala vysvetliť najmä to, prečo intenzívne žiarenie z veľkej protostarskej hviezdy jednoducho neodfúkne vonkajšie vrstvy hviezdy a nezabráni jej zväčšeniu, aj keď astronómovia objavili hviezdy, ktoré sú 100-krát väčšie ako množstvo slnečného žiarenia.
Zatiaľ čo teoretici, medzi nimi McKee, Klein a Krumholz, pokročili v teórii gravitačného kolapsu ďalej smerom k vysvetleniu tohto problému, teória konkurenčnej narastania sa stále viac dostáva do konfliktu s pozorovaniami. Napríklad teória narastania predpovedá, že hnedí trpaslíci, ktorí sú zlyhávanými hviezdami, sú vyhadzovaní zo zhlukov a strácajú svoje obklopujúce disky plynu a prachu. V poslednom roku sa však s planétovými diskami našlo veľa hnedých trpaslíkov.
„Teoretici konkurenčnej narastania ignorovali tieto pozorovania,“ povedal Klein. "Konečným testom akejkoľvek teórie je, ako dobre súhlasí s pozorovaním, a tu sa zdá, že teória gravitačného kolapsu je jasným víťazom."
Model používaný Krumholzom, McKeeom a Kleinom je superpočítačovou simuláciou komplikovanej dynamiky plynu vo vírivom, turbulentnom oblaku molekulárneho vodíka, ktorý narastá na hviezdu. Ide o prvú štúdiu účinkov turbulencie na rýchlosť, akou hviezda narastá, keď sa pohybuje cez oblak plynu, a demoluje teóriu „konkurenčného narastania“.
Zamestnávali 256 paralelných procesorov v superpočítačovom centre v San Diegu v UC San Diego a spustili svoj model takmer dva týždne, aby ukázali, že presne predstavuje dynamiku tvorby hviezd.
"Šesť mesiacov sme pracovali na veľmi, veľmi podrobných simuláciách s vysokým rozlíšením, aby sme vyvinuli túto teóriu," uviedol Klein. "Potom, s touto teóriou v ruke, sme ju aplikovali na oblasti tvoriace hviezdy s vlastnosťami, ktoré by človek mohol získať z oblasti tvoriacej hviezdy."
Modely, ktoré boli prevádzkované aj na superpočítačoch v Lawrence Berkeley National Laboratory a LLNL, ukázali, že turbulencie v jadre a okolitých zhlukoch by zabránili narastaniu v pridávaní veľkej hmoty k protostar.
"Ukázali sme, že z dôvodu turbulencie nemôže hviezda efektívne hromadiť omnoho viac hmoty z okolitého zhluku," uviedol Klein. „V našej teórii, keď sa jadro zrúti a fragmentuje, má táto hviezda v podstate všetku hmotu, akú kedy bude mať. Ak sa narodilo v jadre s nízkou hmotnosťou, nakoniec sa stane hviezdou s nízkou hmotnosťou. Ak sa narodí v jadre vysokej hmotnosti, môže sa z neho stať hviezda vysokej hmotnosti. “
McKee poznamenal, že simulácia superpočítačov vedcov naznačuje, že konkurenčné narastanie môže dobre fungovať pre malé oblaky s veľmi malými turbulenciami, ale tie sa zriedka, ak vôbec, vyskytujú a doteraz neboli pozorované. Reálne oblasti tvorby hviezd majú oveľa viac turbulencie, ako sa predpokladá v akrečnom modeli, a turbulencia sa rýchlo nerozpadá, ako predpokladá tento model. Niektoré neznáme procesy, zrejme tečúce z protostarov, udržujú plyny prikryté tak, aby sa jadro rýchlo nezrútilo.
„Turbulencia je proti gravitácii; bez nej by sa molekulárny mrak zrútil oveľa rýchlejšie, ako bolo pozorované, “povedal Klein. „Obidve teórie predpokladajú, že tam existuje turbulencia. Kľúčom je (to), že prebiehajú procesy, keď sa začínajú vytvárať hviezdy, ktoré udržujú turbulencie nažive a bránia jej rozpadu. Konkurenčný model narastania nemá žiadny spôsob, ako to začleniť do výpočtov, čo znamená, že nemodelujú skutočné regióny vytvárajúce hviezdy. “
Klein, McKee a Krumholz pokračujú v zdokonaľovaní svojho modelu, aby vysvetlili, ako uniká žiarenie z veľkých protostarov bez odfúknutia všetkého plynu. Napríklad ukázali, že časť žiarenia môže uniknúť dutinami vytvorenými prúdmi, ktoré sa objavujú, aby vychádzali z pólov mnohých hviezd formovania. Mnohé predpovede teórie môžu zodpovedať nové a väčšie ďalekohľady, ktoré sú v súčasnosti vo výstavbe, najmä citlivý ďalekohľad ALMA s vysokým rozlíšením, ktorý v Čile buduje konzorcium amerických, európskych a japonských astronómov, uviedol McKee.
Prácu podporili Národná správa letectva a vesmíru, Národná vedecká nadácia a ministerstvo energetiky.
Pôvodný zdroj: UC Berkeley News Release
