Hvordan dannes stjerner?
Vi ved, at de dannes fra massive strukturer kaldet molekylære skyer , som selv dannes af Interstellært medium (ISM). Men hvordan og hvorfor dannes visse typer stjerner? Hvorfor dannes der i nogle situationer en stjerne som vores sol i modsætning til en rød dværg eller en blå kæmpe?
Det er et af de centrale spørgsmål i astronomi. Det er også meget komplekst.
ISM er stoffet og energien mellem solsystemer i en galakse. Stjernedannelsen begynder, når ISM fragmenterer til enorme skyer af gas kaldet molekylære skyer, som er forløbere for stjerner. Forskere har spørgsmål om, hvilken rolle turbulens spiller i denne fragmentering, og hvordan det påvirker de typer stjerner, der til sidst dannes.
ISM har et komplekst forhold til stjerner. Efter stjerner er dannet, giver de til sidst materialet tilbage til ISM via supernovaer , planetariske tåger , og stjernevinde . Denne frem og tilbage mellem stjerner og ISM bestemmer en galakses stjernedannelseshastighed og dens stjernedannelses levetid.
Turbulens spiller en central rolle i alt dette. En ny undersøgelse præsenterer en gassimulering af ISM, og hvordan den danner molekylære skyer. Forfatterne af det nye studie ønskede at forstå det bedre, og de udførte de mest højopløselige supercomputersimuleringer til dato af den turbulens.
Deres papir har titlen ' Den soniske skala afsløret af verdens største supersoniske turbulenssimulering .' Den første forfatter er Christoph Federrath, professor ved Institut for Teoretisk Astrofysik (ITA) ved Center for Astronomi ved Universitetet i Heidelberg. Undersøgelsen er publiceret i Nature Astronomy.
Turbulensen i ISM bestemmer ikke kun stjernedannelseshastigheden; det bestemmer, hvilke typer stjerner der dannes. I den forstand påvirker det også planetdannelsen, og hvis disse planeter kan være noget som Jorden. Så at studere turbulensen er ikke en esoterisk tangent i astronomi. Det er direkte relateret til planeter, endda til livet.
ISM er ikke ensartet fordelt i rummet mellem stjerner. Det er fordelt på samme måde som, hvordan røg stiger og falder og flyder på grund af turbulens. Turbulensen er nøglen til at forstå, hvordan gassen fragmenterer, ifølge forfatterne af undersøgelsen.
Figuren viser et snit gennem terningen af turbulenssimuleringen. Farverne viser densitetskontrasten i forhold til gassens middeltæthed. Dens turbulente struktur er tydeligt genkendelig. Især kommer de talrige stødfronter frem, genkendelige på de skarpe ændringer i tæthed fra høj tæthed (lys orange) til lav tæthed (mørk lilla). Dette er især tydeligt i det udvidede afsnit. (Kilde: C. Federrath) Billedkredit: Federrath et al., 2021.
Der er ligheder mellem turbulensen i ISM og turbulensen i røgskyer. Storskala turbulens i begge har tendens til at kaskade ned til mindre turbulens. Men sammenligningen er ikke perfekt: ISM er ekstremt spinkel, med mellem kun 1 og 100 partikler pr. kvadratcentimeter volumen. Det er klart, at røg er meget tættere end det.
I den tynde ISM kaskaderer den turbulente energi ned til en mindre skala end i røg, ikke kun på grund af hvor tynd den er, men også fordi ISM har en meget lav viskositet. Til sidst reducerer denne kaskade hastigheden af turbulente bevægelser over en tærskel fra supersonisk hastighed til sonisk hastighed.
Når turbulensen krydser denne tærskel, ændres gasskyen fra at være turbulensdomineret til tyngdekraftsdomineret. Hvornår og hvordan det sker, bestemmer størrelsen af de tætte kerner af molekylære skyer. Og det er de tætte kerner, der fører til stjernedannelse.
Området vist på dette billede er kendt som Polaris Flare, et område med støv og gas i stjernebilledet Ursa Minor, 490 lysår fra Jorden. Det blev taget af ESA's Herschel infrarøde rumobservatorium og vist som en farvekomposit. Den viser adskillige sammenfiltrede interstellare filamenter, som strækker sig i snesevis af lysår gennem rummet. Indlejret i filamenterne er tættere pletter af materiale, som i fremtiden kan blive stjerner. Federrath og hans kolleger sammenlignede egenskaberne af disse filamenter og dem i andre molekylære skyområder med deres simuleringer og fandt meget god overensstemmelse. (Kilde: ESA og SPIRE & PACS-konsortiet, Ph. André (CEA Saclay) for Gould's Belt Survey Key Program Consortium og A. Abergel (IAS Orsay) for Evolution of Interstellar Dust Key Program Consortium)
Den overgang fra turbulensdomineret til tyngdekraftsdomineret er en fysisk placering i skyen, og på trods af teoretiske forudsigelser var placeringen, formen og bredden af overgangszonen ukendt. Det skyldes kompleksiteten.
'De fysiske processer er så enormt komplekse, at deres samspil kun kan studeres ved hjælp af computersimuleringer,' sagde studiets medforfatter professor Rafl Klessen, fra Universitetet i Heidelberg.
Klessen leder en forskningsgruppe på universitetet, og de brugte udstyret på Leibniz Supercomputing Center at udføre simuleringerne.
Federrath og hans kolleger modellerede turbulensen på begge sider af den supersoniske og soniske skala. Dynamikken i den turbulens inde i gasskyerne er ekstremt kompleks og krævede ekstrem computerkraft at simulere. 'Til vores specielle simulering, hvor vi ønsker at følge både de supersoniske og subsoniske turbulenskaskader med lydskalaen imellem, er vi nødt til at løse mindst fire størrelsesordener i rumlig udstrækning,' forklarede Federrath i en pressemeddelelse .
Dette er et skærmbillede af videoen af holdets simulering. Klik for at se. Kredit: Federrath et al 2021.
Ifølge holdet af forskere var deres simuleringer en kæmpe succes og bekræftede teoretiske forudsigelser. De var i stand til at finde positionen af overgangszonen mellem supersoniske og soniske skalaer og var i stand til at kvantificere dens bredde og form. De fandt også ud af, at overgangen ikke er skarpt afgrænset, men i stedet sker over en bred skala.
Ikke kun det, men de sammenlignede resultaterne af deres simulering med observationer af en gassky i Mælkevejen. Disse observationer bekræftede deres resultater.
'Teoretisk definerer denne overgangszone frekvensen, hvormed tætte kerner kan findes i interstellare gasskyer,' forklarede prof. Klessen. ”Vi har derfor sammenlignet vores forudsigelser med observationer af gasskyen IC5146 i Mælkevejen og opnået meget god overensstemmelse. Det er et opmuntrende resultat,” tilføjede han.
Det bredere astronomiforskningssamfund har lagt mærke til holdets arbejde. Christopher McKee fra Dept. of Astronomy ved UC Berkeley og James Stone fra Institute for Advanced Study i Princeton, NJ, skrev en Nyheder og visninger i Nature Astronomy taler om betydningen af denne forskning.
'Stjernedannelse er af central betydning i astrofysik,' forklarer de. 'Det fører ikke kun til den mangfoldige række af stjerner, der observeres i universet, men også (indirekte) til dannelsen af planeter og sorte huller, skabelsen af de tunge grundstoffer, aktiveringen af det interstellare medium og det cirkumgalaktiske medium via feedback fra stråling, vinde og supernovaer og endda galaksernes udvikling.'
Et panoramisk Hubble-billede af Carina-tågen, der viser de turbulente virkninger af stjernevindene og ioniserende stråling fra massive stjerner på den molekylære sky, som stjernerne blev født ud af. Billedkredit: NASA / ESA / N. Smith (University of California, Berkeley) / Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
På grund af tidsskalaen involveret i dannelsen af molekylære skyer og stjerner, kan det ikke studeres observationelt. Det kan kun løses med simuleringer, og resultaterne af disse simuleringer kan derefter sammenlignes med observationer, som i denne nye undersøgelse. 'Den komplekse og ikke-lineære struktur af supersonisk turbulens gør numeriske eksperimenter afgørende for at forstå fysikken i stjernedannelse,' skriver parret i deres artikel.
Og Federrath og hans kolleger har udført den mest stringente og detaljerede simulering endnu. Hurtige fremskridt inden for computerkraft har muliggjort disse typer simuleringer, og som McKee og Stone påpeger, er supercomputeren, der bruges i denne simulering, allerede blevet overgået i kraft.
For forskere, der studerer problemet, skubber udviklingen af kraftfulde computere og lige så kraftfuld software grænserne for forståelse. 'I både USA og Europa planlægger man at lave såkaldte exascale-systemer (i stand til 1018flydende kommaberegninger per sekund, omkring ti gange hurtigere end nuværende supercomputere), der er tilgængelige i de næste par år, er blevet annonceret,” skriver McKee og Stone. 'Selvom det vil være en stor udfordring at udvikle videnskabelig software, der kan drage fuld fordel af sådanne systemer, er fremtiden for beregningsmæssige tilgange til undersøgelse af en lang række problemer inden for astrofysik, herunder stjernedannelse, fortsat meget lys.'
Mere:
- Pressemeddelelse: Turbulenssimulering af interstellart medium slår rekorder
- Ny undersøgelse: Den soniske skala af interstellar turbulens
- Nyheder og visninger: Turbulens i himlen
- Universet i dag: Astronomer kortlægger råmaterialet til ny stjernedannelse i Mælkevejen