Kako nastanejo zvezde?
Vemo, da nastanejo iz masivnih struktur, imenovanih molekularni oblaki , ki sami tvorijo iz Medzvezdni medij (ISM). Toda kako in zakaj nastanejo določene vrste zvezd? Zakaj v nekaterih situacijah nastane zvezda, kot je naše Sonce, v primerjavi z rdečim palčkom ali modrim velikanom?
To je eno osrednjih vprašanj v astronomiji. Je tudi zelo zapletena.
ISM je snov in energija med sončnimi sistemi v galaksiji. Nastajanje zvezd se začne, ko se ISM razdrobi v ogromne oblake plina, imenovane molekularni oblaki, ki so predhodniki zvezd. Znanstveniki imajo vprašanja o vlogi, ki jo ima turbulenca pri tej razdrobljenosti in kako vpliva na vrste zvezd, ki se sčasoma oblikujejo.
ISM ima zapleten odnos z zvezdami. Ko nastanejo zvezde, na koncu vrnejo material v ISM supernove , planetarne meglice , in zvezdni vetrovi . To naprej in nazaj med zvezdami in ISM določa stopnjo nastajanja zvezd v galaksiji in njeno življenjsko dobo nastajanja zvezd.
Turbulenca ima pri vsem tem osrednjo vlogo. Nova študija predstavlja plinsko simulacijo ISM in kako tvori molekularne oblake. Avtorji nove študije so jo želeli bolje razumeti in izvedli so najbolj visoko ločljive superračunalniške simulacije te turbulence.
Njihov prispevek je naslovljen » Zvočna lestvica, ki jo je razkrila največja simulacija nadzvočne turbulence na svetu .” Prvi avtor je Christoph Federrath, profesor na Inštitutu za teoretično astrofiziko (ITA) pri Centru za astronomijo Univerze v Heidelbergu. Študija je objavljena v Nature Astronomy.
Turbulenca v ISM ne določa le stopnje nastajanja zvezd; določa vrste zvezd, ki nastanejo. V tem smislu vpliva tudi na nastanek planetov in če so ti planeti lahko kaj podobni Zemlji. Torej preučevanje turbulence ni neka ezoterična tangenta v astronomiji. To je neposredno povezano s planeti, celo z življenjem.
ISM ni enakomerno porazdeljen v prostoru med zvezdami. Porazdeljen je podobno, kot se dim dviga in spušča ter teče zaradi turbulence. Po mnenju avtorjev študije je turbulenca ključ do razumevanja, kako se plin drobi.
Slika prikazuje prerez skozi kocko simulacije turbulence. Barve prikazujejo kontrast gostote glede na srednjo gostoto plina. Njegova turbulentna struktura je jasno prepoznavna. Pojavijo se zlasti številne fronte udarcev, ki jih prepoznamo po ostrih spremembah gostote od visoke gostote (svetlo oranžna) do nizke gostote (temno vijolična). To je še posebej jasno v povečanem delu. (Vir: C. Federrath) Zasluge slike: Federrath et al, 2021.
Obstajajo podobnosti med turbulenco v ISM in turbulenco v oblakih dima. Turbulenca velikega obsega se pri obeh nagiba k kaskadi navzdol do turbulence manjšega obsega. Toda primerjava ni popolna: ISM je izjemno šibek, z le od 1 do 100 delcev na kvadratni centimeter prostornine. Očitno je dim veliko gostejši od tega.
V tankem ISM se turbulentna energija spusti v manjši obseg kot v dimu, ne le zaradi tega, kako tanek je, ampak tudi zato, ker ima ISM zelo nizko viskoznost. Sčasoma ta kaskada zmanjša hitrost turbulentnega gibanja čez prag od nadzvočne hitrosti do zvočne hitrosti.
Ko turbulenca preseže ta prag, se plinski oblak spremeni iz prevladujočega turbulence v prevladujočega gravitacije. Kdaj in kako se to zgodi, določa velikost gostih jeder molekularnih oblakov. In prav gosta jedra vodijo v nastanek zvezd.
Območje, prikazano na tej sliki, je znano kot Polaris Flare, območje prahu in plina v ozvezdju Malega medveda, 490 svetlobnih let od Zemlje. Posnel ga je ESA Herschel infrardeči vesoljski observatorij in prikazan kot barvni kompozit. Prikazuje več zapletenih medzvezdnih filamentov, ki se raztezajo na desetine svetlobnih let skozi vesolje. V filamente so vgrajene gostejše zaplate materiala, ki bi lahko v prihodnosti postali zvezde. Federrath in sodelavci so primerjali lastnosti teh filamentov in tistih v drugih regijah molekularnih oblakov s svojimi simulacijami in ugotovili zelo dobro ujemanje. (Vir: ESA in konzorcija SPIRE & PACS, Ph. André (CEA Saclay) za konzorcij Gould's Belt Survey Key Program Consortium in A. Abergel (IAS Orsay) za Konzorcij Evolution of Interstellar Dust Key Program Consortium)
Ta prehod iz turbulence v prevladujočo gravitacijo je fizična lokacija v oblaku in kljub teoretičnim napovedim lokacija, oblika in širina prehodnega območja niso bili znani. To je posledica kompleksnosti.
'Fizikalni procesi so tako izjemno zapleteni, da je njihovo medsebojno delovanje mogoče preučevati le s pomočjo računalniških simulacij,' je dejal soavtor študije, profesor Rafl Klessen z Univerze v Heidelbergu.
Klessen vodi raziskovalno skupino na univerzi, opremo pa so uporabljali na Leibniz superračunalniški center za izvedbo simulacij.
Federrath in njegovi sodelavci so modelirali turbulenco na obeh straneh nadzvočne in zvočne lestvice. Dinamika te turbulence znotraj plinskih oblakov je izjemno zapletena in zahteva izjemno računalniško moč za simulacijo. 'Za našo posebno simulacijo, v kateri želimo spremljati tako nadzvočno kot podzvočno turbulenčno kaskado z zvočno skalo vmes, moramo razrešiti vsaj štiri rede velikosti v prostorskem obsegu,' je pojasnil Federrath v izjava za javnost .
To je posnetek zaslona videa simulacije ekipe. Kliknite za ogled. Zasluge: Federrath et al 2021.
Po mnenju skupine raziskovalcev so bile njihove simulacije izjemen uspeh in so potrdile teoretične napovedi. Uspeli so najti položaj prehodnega območja med nadzvočno in zvočno lestvico ter so lahko kvantificirali njegovo širino in obliko. Ugotovili so tudi, da prehod ni ostro razmejen, ampak se pojavlja v širokem obsegu.
Ne samo to, rezultate svoje simulacije so primerjali z opazovanji plinskega oblaka v Rimski cesti. Ta opažanja so potrdila njihove ugotovitve.
'Teoretično to prehodno območje opredeljuje frekvenco, s katero lahko najdemo gosta jedra v medzvezdnih plinskih oblakih,' je pojasnil prof. Klessen. 'Zato smo naše napovedi primerjali z opazovanji plinskega oblaka IC5146 v Rimski cesti in dobili zelo dobro soglasje. To je spodbuden rezultat,' je dodal.
Širša astronomska raziskovalna skupnost je opazila delo ekipe. Christopher McKee z Oddelka za astronomijo na UC Berkeley in James Stone z Inštituta za napredne študije v Princetonu v NJ sta napisala Novice in ogledi v Nature Astronomy govorijo o pomenu te raziskave.
'Nastajanje zvezd je osrednjega pomena v astrofiziki,' pojasnjujejo. 'To ne vodi le do raznolike palete zvezd, opaženih v vesolju, ampak tudi (posredno) do nastanka planetov in črnih lukenj, ustvarjanja težkih elementov, energizacije medzvezdnega medija in okoliškega medija prek povratnih informacij iz sevanje, vetrovi in supernove ter celo evolucija galaksij.'
Panoramska Hubblova slika meglice Carina, ki prikazuje turbulentne učinke zvezdnih vetrov in ionizirajočega sevanja masivnih zvezd na molekularni oblak, iz katerega so se zvezde rodile. Zasluge za sliko: NASA / ESA / N. Smith (Univerza v Kaliforniji, Berkeley) / Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Zaradi časovnega okvira, ki je vključen v nastanek molekularnih oblakov in zvezd, ga ni mogoče opazovalno preučevati. To je mogoče obravnavati le s simulacijami, rezultate teh simulacij pa lahko nato primerjamo z opazovanji, kot v tej novi študiji. 'Zapletena in nelinearna struktura nadzvočne turbulence naredi numerične eksperimente ključnega pomena za razumevanje fizike nastajanja zvezd,' pišeta v svojem članku.
In Federrath in njegovi sodelavci so izvedli najbolj strogo in podrobno simulacijo doslej. Hiter napredek računalniške moči je omogočil tovrstne simulacije, in kot poudarjata McKee in Stone, je superračunalnik, uporabljen v tej simulaciji, že presežen po moči.
Za znanstvenike, ki preučujejo problem, razvoj zmogljivih računalnikov in enako zmogljive programske opreme premikajo meje razumevanja. 'Tako v ZDA kot v Evropi načrtujejo izdelavo tako imenovanih sistemov exascale (zmožni 1018Najavljeni so izračuni s plavajočo vejico na sekundo, približno desetkrat hitrejši od trenutnih superračunalnikov), ki so na voljo v naslednjih nekaj letih,« pišeta McKee in Stone. 'Čeprav bo razvoj znanstvene programske opreme, ki lahko v celoti izkoristi takšne sisteme, velik izziv, je prihodnost računalniških pristopov za raziskovanje širokega spektra problemov v astrofiziki, vključno z nastankom zvezd, še vedno zelo svetla.'
Več:
- Izjava za javnost: Simulacija turbulence medzvezdnega medija podira rekorde
- Nova študija: Zvočna lestvica medzvezdnih turbulenc
- Novice in ogledi: Turbulenca v nebesih
- Vesolje danes: Astronomi načrtujejo surovino za nastanek novih zvezd v Rimski cesti
