Leikkaa läpi 3D-simulaation molekyylivetyn turbulenttisesta paastosta. Kuvaluotto: Mark Krumholz. Klikkaa suurentaaksesi
Kalifornian Berkeleyn yliopiston ja Lawrence Livermore National Laboratoryn (LLNL) astrofysiikit ovat räjäyttäneet yhden kahdesta kilpailevasta teoriasta siitä, kuinka tähdet muodostuvat tähtienvälisten kaasujen valtavien pilvien sisälle.
Tämä malli, joka on alle 10 vuotta vanha ja jota eräät brittiläiset tähtitieteilijät puolustavat, ennustaa, että tähtienvälisissä vetypilvissä muodostuu kohoumia, joissa muodostuu useita pieniä ytimiä - tulevien tähtijen siemeniä. Nämä ytimet, vähemmän kuin kevyt vuosi, romahtavat oman painovoimansa alla ja kilpailevat kaasusta ympäröivässä klumpussa, saaden usein 10 - 100-kertaisen alkuperäisen massan massasta.
Vaihtoehtoinen malli, jota usein kutsutaan ”painovoiman romahtamis- ja pirstoutumisteoriaksi”, edellyttää myös, että pilvet kehittävät kohoumia, joissa prototähtisydämet muodostuvat. Mutta tässä teoriassa ytimet ovat suuria ja, vaikka ne voivat hajota pienemmiksi paloiksi muodostamaan binaarisia tai useita tähtijärjestelmiä, ne sisältävät melkein kaiken massan, jonka ne koskaan tekevät.
”Kilpailukykyisesti ytimet ovat siemeniä, joista kasvaa tähtiä; Kuvassamme ytimet muuttuvat tähtiä ”, selitti UC Berkeleyn fysiikan ja tähtitieteen professori Chris McKee. "Tähänastiset havainnot, jotka keskittyvät pääasiassa pienmassatähteiden muodostumisen alueisiin, kuten aurinko, ovat yhdenmukaisia mallimme kanssa ja ristiriidassa heidän kanssaan."
"Kilpailukyky on suuri tähtien muodostumisen teoria Euroopassa, ja ajattelemme nyt, että se on kuollut teoria", lisäsi Richard Klein, UC Berkeleyn tähtitieteen professori ja LLNL: n tutkija.
Mark R. Krumholz, nyt Princetonin yliopiston jatkotutkijatohtori, McKee ja Klein kertovat havainnoistaan 17. marraskuuta ilmestyvässä Nature-lehdessä.
Molemmat teoriat yrittävät selittää kuinka tähdet muodostuvat kylmissä molekyylin vetypilvissä, kenties 100 valovuotta ja jotka sisältävät 100 000 kertaa aurinkoomme massan. Hubble- ja Spitzer-avaruusteleskoopit ovat kuvanneet tällaisia pilviä loistavilla väreillä, mutta pilven romahtamisen yhdeksi tai useammaksi tähtiä dynaamisuus ei ole kaukana selvästä. Tähtien muodostumisen teoria on kriittinen ymmärtääksesi kuinka galaksit ja galaksiklusterit muodostuvat, McKee sanoi.
"Tähtien muodostuminen on erittäin rikas ongelma, johon liittyy kysymyksiä, kuten kuinka aurinko muodostui tähtiin, miksi erittäin suuri määrä tähtiä on binaarisissa tähtijärjestelmissä ja kuinka tähdet muodostavat kymmenen - sata kertaa auringon massan", hän sanoi. "Massiivisemmat tähdet ovat tärkeitä, koska räjähtäessään supernoovassa ne tuottavat suurimman osan raskaista elementeistä, joita näemme ympärillämme olevassa materiaalissa."
Kilpailukykyinen malli viritettiin 1990-luvun lopulla vastauksena painovoimaisen romahdusmallin ongelmiin, joilla näytti olevan vaikeuksia selittää kuinka suuria tähtiä muodostuu. Erityisesti teoria ei pystynyt selittämään, miksi suuren protostarin voimakas säteily ei vain puhalleta pois tähden ulkokerroksia ja estää sitä kasvamasta suuremmiksi, vaikka tähtitieteilijät ovat löytäneet tähtiä, jotka ovat 100 kertaa auringon massa.
Vaikka teoreetikot, muun muassa McKee, Klein ja Krumholz, ovat edenneet gravitaation romahtamisen teoriaa kauemmas tämän ongelman selittämiseen, kilpaileva lisäteoria on tullut yhä ristiriidassa havaintojen kanssa. Esimerkiksi lisäysteoria ennustaa, että ruskeat kääpiöt, jotka ovat epäonnistuneita tähtiä, heitetään ulos kohoumista ja menettävät ympäröivät kaasu- ja pölylevyt. Viime vuoden aikana on kuitenkin löydetty lukuisia ruskeita kääpiöitä planeettalevyiltä.
"Kilpailukykyteoreetikot ovat jättäneet huomiotta nämä havainnot", Klein sanoi. "Minkä tahansa teorian perimmäinen testi on, kuinka hyvin se sopii havainnointiin, ja tässä painovoiman romahtamisteoria näyttää olevan selvä voittaja."
Krumholzin, McKee: n ja Kleinin käyttämä malli on supertietokoneen simulointi kaasun monimutkaisesta dynamiikasta pyörteisen, pyörteisen molekyylivetypilven sisällä, kun se kerääntyy tähtiin. Heidän on ensimmäinen tutkimus turbulenssin vaikutuksista nopeuteen, jolla tähti kiihdyttää ainetta liikkuessaan kaasupilven läpi, ja se tuhoaa "kilpailun lisääntymisen" teorian.
Työskentelemällä 256 rinnakkaisprosessoria UC San Diegon San Diegon supertietokonekeskuksessa, he juoksivat malliaan lähes kahden viikon ajan osoittaakseen, että se edustaa tähtien muodostumisen dynamiikkaa tarkasti.
"Kuuden kuukauden ajan työskentelimme erittäin, erittäin yksityiskohtaisten, korkearesoluutioisten simulaatioiden avulla kehittääksemme tätä teoriaa", Klein sanoi. "Sitten, kun teoria oli kädessä, sovelsimme sitä tähtiä muodostaviin alueisiin, joilla oli ominaisuuksia, jotka voisivat poistua tähtiä muodostavasta alueesta."
Mallit, joita ajettiin myös supertietokoneissa Lawrence Berkeley National Laboratoryssa ja LLNL: ssä, osoittivat, että turbulenssi ytimessä ja sitä ympäröivässä klumpussa estäisi lisääntymisen lisäämästä paljon massaa protostariin.
"Olemme osoittaneet, että turbulenssin takia tähti ei voi tehokkaasti kuluttaa paljon enemmän massaa ympäröivästä klumpusta", Klein sanoi. ”Teoriassamme, kun ydin romahtaa ja katkeaa, tällä tähdellä on periaatteessa kaikki massa, jonka se koskaan tulee olemaan. Jos se on syntynyt pienmassallisessa ytimessä, siitä tulee lopulta pienipainoinen tähti. Jos se syntyy suuren massan ytimessä, siitä voi tulla suuren massan tähti. "
McKee totesi, että tutkijoiden supertietokoneiden simulointi osoittaa, että kilpailun lisääntyminen voi toimia hyvin pienissä pilvissä, joissa turbulenssi on hyvin pieni, mutta näitä esiintyy harvoin, jos koskaan, eikä niitä ole havaittu toistaiseksi. Todellisilla tähdenmuodostusalueilla on paljon enemmän turbulenssia kuin akrytointimallissa oletetaan, ja turbulenssi ei hajoa nopeasti, kuten mallissa oletetaan. Jotkut tuntemattomat prosessit, kenties prostatähteistä virtaava aine, pitävät kaasut kiertyneinä, jotta ydin ei romahda nopeasti.
”Turbulenssi vastustaa painovoimaa; ilman sitä molekyylipilvi romahtaisi huomattavasti nopeammin kuin havaittiin ”, Klein kertoi. ”Molemmat teoriat olettavat, että turbulenssi on olemassa. Tärkeintä on () että tähtien alkaessa muodostua tapahtuu prosesseja, jotka pitävät turbulenssin elossa ja estävät sen rapistumista. Kilpailukykyisellä mallilla ei ole mitään tapaa laittaa tätä laskelmiin, mikä tarkoittaa, että he eivät mallinta todellisia tähtiä muodostavia alueita. "
Klein, McKee ja Krumholz jatkoivat mallinsa tarkentamista selittääkseen, kuinka suurten prostatähteiden säteily pääsee tyhjentämättä kaikkea putoavaa kaasua. Esimerkiksi, he ovat osoittaneet, että osa säteilystä voi päästä onteloiden läpi, jotka havaitut suihkut suihkuttavat tulemaan ulos muodostumisen yhteydessä olevien monien tähtien napoista. Moniin teoriaennusteisiin voidaan vastata uusilla ja suuremmilla rakenteilla olevilla kaukoputkilla, etenkin herkillä, korkearesoluutioisilla ALMA-kaukoputkeilla, joita rakentaa Chilessä Yhdysvaltain, Euroopan ja Japanin tähtitieteilijöiden yhteenliittymä, McKee kertoi.
Työtä tukivat Kansallinen ilmailu- ja avaruushallinto, Kansallinen tiedesäätiö ja energiaosasto.
Alkuperäinen lähde: UC Berkeley -lehdistötiedote
