Срез трехмерного моделирования турбулентного скопления молекулярного водорода. Изображение предоставлено: Марк Крумхольц. нажмите, чтобы увеличить
Астрофизики из Калифорнийского университета, Беркли и Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL) взорвали одну из двух конкурирующих теорий о том, как звезды образуются в огромных облаках межзвездного газа.
Эта модель, которой менее 10 лет и которую отстаивают некоторые британские астрономы, предсказывает, что межзвездные водородные облака образуют скопления, в которых образуются несколько маленьких ядер - семена будущих звезд. Эти ядра, менее чем через световой год, коллапсируют под действием собственной силы тяжести и конкурируют за газ в окружающем комке, часто набирая в 10-100 раз свою первоначальную массу от комка.
Альтернативная модель, часто называемая теорией «гравитационного коллапса и фрагментации», также предполагает, что облака образуют скопления, в которых образуются протозвездные ядра. Но в этой теории ядра большие и, хотя они могут разбиваться на более мелкие кусочки, образуя двойные или множественные звездные системы, содержат почти всю массу, которую они когда-либо будут иметь.
«В конкурентной аккреции ядра - это семена, которые растут, чтобы стать звездами; на нашей картине ядра превращаются в звезды », - объяснил Крис Макки, профессор физики и астрономии в Калифорнийском университете в Беркли. «Наблюдения до настоящего времени, которые фокусируются в основном на областях формирования звезд с низкой массой, таких как солнце, согласуются с нашей моделью и не соответствуют их».
«Конкурентное наращивание - это большая теория звездообразования в Европе, и теперь мы думаем, что это мертвая теория», - добавил Ричард Кляйн, адъюнкт-профессор астрономии в Калифорнийском университете в Беркли и исследователь в LLNL.
Марк Р. Крумхольц, ныне постдокторский сотрудник Принстонского университета, Макки и Кляйн сообщают о своих выводах в выпуске журнала Nature от 17 ноября.
Обе теории пытаются объяснить, как звезды образуются в холодных облаках молекулярного водорода, возможно, в 100 световых лет в ширину и в 100 000 раз больше массы нашего Солнца. Такие облака были сфотографированы в ярких цветах космическими телескопами Хаббла и Спитцера, но динамика падения облака в одну или несколько звезд далека от ясности. Макки сказал, что теория звездообразования имеет решающее значение для понимания того, как образуются галактики и скопления галактик.
«Звездообразование - это очень богатая проблема, включающая такие вопросы, как то, как образовались такие звезды, как Солнце, почему очень много звезд находится в двойных звездных системах, и как звезды в десять-сто раз превышают массу Солнца», - сказал он. сказал. «Более массивные звезды важны, потому что, когда они взрываются в сверхновой, они производят большинство тяжелых элементов, которые мы видим в материале вокруг нас».
Конкурентная модель аккреции была заштрихована в конце 1990-х годов в ответ на проблемы с моделью гравитационного коллапса, которые, похоже, не могли объяснить, как образуются крупные звезды. В частности, теория не может объяснить, почему интенсивное излучение большой протозвезды не просто уносит внешние слои звезды и не дает ей расти больше, даже если астрономы обнаружили звезды, которые в 100 раз больше массы Солнца.
Хотя теоретики, в том числе Макки, Кляйн и Крумхольц, продвинули теорию гравитационного коллапса дальше в направлении объяснения этой проблемы, теория конкурентного наращивания все больше вступает в противоречие с наблюдениями. Например, теория аккреции предсказывает, что коричневые карлики, которые являются неудачными звездами, выбрасываются из комков и теряют окружающие их диски из газа и пыли. В прошлом году, однако, были обнаружены многочисленные коричневые карлики с планетарными дисками.
«Теоретики конкурентной аккреции проигнорировали эти наблюдения», - сказал Кляйн. «Конечная проверка любой теории заключается в том, насколько хорошо она согласуется с наблюдением, и здесь теория гравитационного коллапса кажется явным победителем».
Модель, используемая Крумхольцем, МакКи и Кляйном, представляет собой суперкомпьютерное моделирование сложной динамики газа внутри закрученного турбулентного облака молекулярного водорода при его аккреции на звезду. Это первое исследование влияния турбулентности на скорость, с которой звезда накапливает материю, когда она движется через газовое облако, и разрушает теорию «конкурентного наращивания».
Используя 256 параллельных процессоров в суперкомпьютерном центре Сан-Диего в Сан-Диего, они в течение почти двух недель эксплуатировали свою модель, чтобы показать, что она точно отражает динамику звездообразования.
«В течение шести месяцев мы работали над очень, очень подробным моделированием с высоким разрешением, чтобы развить эту теорию», - сказал Кляйн. «Затем, имея эту теорию под рукой, мы применили ее к областям звездообразования со свойствами, которые можно было бы извлечь из области звездообразования».
Модели, которые также работали на суперкомпьютерах в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и LLNL, показали, что турбулентность в ядре и окружающем сгустке будет препятствовать наращиванию массы большим количеством протозвезды.
«Мы показали, что из-за турбулентности звезда не может эффективно наращивать гораздо большую массу от окружающего скопления», - сказал Кляйн. «В нашей теории, когда ядро разрушается и фрагментируется, эта звезда в основном имеет всю массу, которую она когда-либо будет иметь. Если он родился в ядре с малой массой, он в конечном итоге станет звездой с малой массой. Если он родился в ядре с большой массой, он может стать звездой с большой массой ».
Макки отметил, что суперкомпьютерное моделирование исследователей показывает, что конкурентное наращивание может хорошо работать для небольших облаков с очень небольшой турбулентностью, но это редко, если вообще когда-либо, происходит и не наблюдалось до настоящего времени. Реальные области звездообразования имеют гораздо большую турбулентность, чем предполагалось в аккреционной модели, и турбулентность быстро не затухает, как предполагает эта модель. Некоторые неизвестные процессы, возможно, материя, вытекающая из протозвезд, удерживают газы взволнованными, чтобы ядро не разрушалось быстро.
«Турбулентность противостоит гравитации; без него молекулярное облако разрушилось бы гораздо быстрее, чем наблюдалось », - сказал Кляйн. «Обе теории предполагают наличие турбулентности. Ключ в том, что по мере того, как начинают формироваться звезды, происходят процессы, которые поддерживают турбулентность в живых и предотвращают ее разрушение. Модель конкурентной аккреции не имеет возможности внести это в расчеты, что означает, что они не моделируют реальные области звездообразования ».
Кляйн, Макки и Крумхольц продолжают совершенствовать свою модель, чтобы объяснить, как излучение от крупных протозвезд выходит из-под контроля, не выбрасывая весь падающий газ. Например, они показали, что часть излучения может выходить через полости, создаваемые струями, которые, как наблюдают, выходят из полюсов многих звезд в процессе формирования. Многие предсказания теории могут быть отвечены новыми и более крупными телескопами, которые сейчас строятся, в частности чувствительный телескоп ALMA высокого разрешения, построенный в Чили консорциумом американских, европейских и японских астрономов, сказал Макки.
Работа была поддержана Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства, Национальным научным фондом и Министерством энергетики.
Первоисточник: Пресс-релиз Калифорнийского университета в Беркли
