Ένα κομμάτι μέσω μιας 3-D προσομοίωσης μιας τυρβώδους συστάδας μοριακού υδρογόνου. Πιστωτική εικόνα: Mark Krumholz. Κάντε κλικ για μεγέθυνση
Οι αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Μπέρκλεϋ και στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) έχουν εκραγεί μια από τις δύο ανταγωνιστικές θεωρίες σχετικά με το πώς σχηματίζονται τα αστέρια μέσα σε τεράστια σύννεφα διαστρικού αερίου.
Αυτό το μοντέλο, το οποίο είναι κάτω των 10 ετών και υποστηρίζεται από μερικούς Βρετανούς αστρονόμους, προβλέπει ότι τα διαστρικά σύννεφα υδρογόνου αναπτύσσουν συστάδες στις οποίες σχηματίζονται αρκετοί μικροί πυρήνες - οι σπόροι των μελλοντικών αστεριών -. Αυτοί οι πυρήνες, λιγότερο από ένα έτος φωτός, καταρρέουν κάτω από τη δική τους βαρύτητα και ανταγωνίζονται για αέριο στη γύρω συστάδα, κερδίζοντας συχνά 10 έως 100 φορές την αρχική τους μάζα από τη συστάδα.
Το εναλλακτικό μοντέλο, που συχνά ονομάζεται θεωρία «βαρυτικής κατάρρευσης και κατακερματισμού», προϋποθέτει επίσης ότι τα σύννεφα αναπτύσσουν συστάδες στις οποίες σχηματίζονται πρωτότυποι πυρήνες. Αλλά σε αυτή τη θεωρία, οι πυρήνες είναι μεγάλοι και, αν και μπορεί να τεμαχιστούν σε μικρότερα κομμάτια για να σχηματίσουν συστήματα δυαδικών ή πολλαπλών αστεριών, περιέχουν σχεδόν όλη τη μάζα που θα έχουν ποτέ.
«Στην ανταγωνιστική αύξηση, οι πυρήνες είναι σπόροι που μεγαλώνουν για να γίνουν αστέρια. στην εικόνα μας, οι πυρήνες μετατρέπονται σε αστέρια », εξήγησε ο Chris McKee, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας στο UC Berkeley. «Οι μέχρι σήμερα παρατηρήσεις, οι οποίες εστιάζουν κυρίως σε περιοχές σχηματισμού αστεριών χαμηλής μάζας, όπως ο ήλιος, είναι συνεπείς με το μοντέλο μας και ασυνεπείς με τις δικές τους».
«Η ανταγωνιστική αύξηση είναι η μεγάλη θεωρία του σχηματισμού αστεριών στην Ευρώπη και τώρα πιστεύουμε ότι είναι μια νεκρή θεωρία», πρόσθεσε ο Richard Klein, αναπληρωτής καθηγητής αστρονομίας στο UC Berkeley και ερευνητής στο LLNL.
Ο Mark R. Krumholz, τώρα μεταδιδακτορικός συνεργάτης στο Πανεπιστήμιο του Princeton, οι McKee και Klein αναφέρουν τα ευρήματά τους στο τεύχος της Φύσης 17 Νοεμβρίου.
Και οι δύο θεωρίες προσπαθούν να εξηγήσουν πώς σχηματίζονται τα αστέρια σε κρύα σύννεφα μοριακού υδρογόνου, ίσως 100 έτη φωτός και περιέχουν 100.000 φορές τη μάζα του ήλιου μας. Τέτοια σύννεφα έχουν φωτογραφηθεί με λαμπρό χρώμα από τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και Spitzer, αλλά η δυναμική της κατάρρευσης ενός σύννεφου σε ένα ή πολλά αστέρια απέχει πολύ από το να είναι καθαρή. Μια θεωρία του σχηματισμού αστεριών είναι κρίσιμη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών, δήλωσε ο ΜακΚέι.
«Ο σχηματισμός αστεριών είναι ένα πολύ πλούσιο πρόβλημα, που περιλαμβάνει ερωτήματα όπως το πώς σχηματίστηκαν τα αστέρια όπως ο ήλιος, γιατί ένας πολύ μεγάλος αριθμός αστεριών βρίσκεται σε δυαδικά συστήματα αστεριών και πώς σχηματίζονται τα αστέρια δέκα έως εκατό φορές τη μάζα του ήλιου», είπε. "Τα πιο τεράστια αστέρια είναι σημαντικά γιατί, όταν εκρήγνυνται σε μια σουπερνόβα, παράγουν τα περισσότερα από τα βαριά στοιχεία που βλέπουμε στο υλικό γύρω μας."
Το ανταγωνιστικό μοντέλο αύξησης εκτοξεύτηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1990 ως απάντηση σε προβλήματα με το μοντέλο βαρυτικής κατάρρευσης, το οποίο φάνηκε να έχει πρόβλημα να εξηγήσει πόσο μεγάλα αστέρια σχηματίζονται. Συγκεκριμένα, η θεωρία δεν μπόρεσε να εξηγήσει γιατί η έντονη ακτινοβολία από ένα μεγάλο πρωτόστρωμα δεν εκρήγνυται απλώς τα εξωτερικά στρώματα του αστεριού και το εμποδίζει να μεγαλώσει, παρόλο που οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει αστέρια που είναι 100 φορές η μάζα του ήλιου.
Ενώ οι θεωρητικοί, μεταξύ των οποίων ο McKee, ο Klein και ο Krumholz, έχουν προωθήσει τη θεωρία της βαρυτικής κατάρρευσης για να εξηγήσουν αυτό το πρόβλημα, η θεωρία της ανταγωνιστικής αύξησης έρχεται όλο και περισσότερο σε σύγκρουση με τις παρατηρήσεις. Για παράδειγμα, η θεωρία συσσώρευσης προβλέπει ότι οι καφέ νάνοι, οι οποίοι είναι αποτυχημένα αστέρια, πετιούνται από συσσωματώματα και χάνουν τους κυκλικούς δίσκους αερίου και σκόνης. Τον τελευταίο χρόνο, ωστόσο, έχουν βρεθεί πολλοί καφέ νάνοι με πλανητικούς δίσκους.
"Οι ανταγωνιστικοί θεωρητικοί αύξησης έχουν αγνοήσει αυτές τις παρατηρήσεις", δήλωσε ο Klein. «Η τελική δοκιμή οποιασδήποτε θεωρίας είναι το πόσο καλά συμφωνεί με την παρατήρηση, και εδώ η θεωρία της βαρυτικής κατάρρευσης φαίνεται να είναι ο σαφής νικητής».
Το μοντέλο που χρησιμοποιούν οι Krumholz, McKee και Klein είναι μια προσομοίωση υπερυπολογιστών της περίπλοκης δυναμικής του αερίου μέσα σε ένα στροβιλισμένο, ταραχώδες νέφος μοριακού υδρογόνου καθώς προστίθεται σε ένα αστέρι. Η δική τους είναι η πρώτη μελέτη των επιπτώσεων της αναταραχής στον ρυθμό με τον οποίο ένα αστέρι αυξάνει την ύλη καθώς κινείται μέσα από ένα νέφος αερίου και καταστρέφει τη θεωρία της «ανταγωνιστικής αύξησης».
Χρησιμοποιώντας 256 παράλληλους επεξεργαστές στο San Diego Supercomputer Center στο UC San Diego, έτρεξαν το μοντέλο τους για σχεδόν δύο εβδομάδες για να δείξουν ότι αντιπροσωπεύει με ακρίβεια τη δυναμική του σχηματισμού των αστεριών.
«Για έξι μήνες, εργαστήκαμε σε πολύ, πολύ λεπτομερείς προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης για να αναπτύξουμε αυτήν τη θεωρία», δήλωσε ο Klein. «Έπειτα, έχοντας αυτή τη θεωρία στο χέρι, την εφαρμόσαμε σε περιοχές σχηματισμού αστεριών με τις ιδιότητες που θα μπορούσε να συλλέξει κάποιος από μια περιοχή σχηματισμού αστεριών».
Τα μοντέλα, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν επίσης σε υπερυπολογιστές στο Lawrence Berkeley National Laboratory και στο LLNL, έδειξαν ότι η αναταραχή στον πυρήνα και το περιβάλλον άθροισμα θα αποτρέψει την αύξηση της μάζας σε ένα πρωτόστρωμα.
«Έχουμε δείξει ότι, λόγω της αναταραχής, ένα αστέρι δεν μπορεί αποτελεσματικά να συγκεντρώσει πολύ περισσότερη μάζα από τη γύρω συστάδα», είπε ο Klein. «Στη θεωρία μας, μόλις καταρρεύσει ένας πυρήνας και θραύσματα, αυτό το αστέρι έχει ουσιαστικά όλη τη μάζα που θα έχει ποτέ. Εάν γεννήθηκε σε πυρήνα χαμηλής μάζας, θα καταλήξει να είναι αστέρι χαμηλής μάζας. Εάν γεννιέται σε πυρήνα υψηλής μάζας, μπορεί να γίνει αστέρι υψηλής μάζας. "
Ο McKee σημείωσε ότι η προσομοίωση των υπερυπολογιστών των ερευνητών δείχνει ότι η ανταγωνιστική αύξηση μπορεί να λειτουργήσει καλά για μικρά σύννεφα με πολύ μικρή αναταραχή, αλλά αυτά σπάνια, αν υπήρξαν ποτέ, συμβαίνουν και δεν έχουν παρατηρηθεί μέχρι σήμερα. Οι πραγματικές περιοχές σχηματισμού αστεριών έχουν πολύ μεγαλύτερη αναταραχή από ό, τι υποτίθεται στο μοντέλο συσσώρευσης και η αναταραχή δεν αποσυντίθεται γρήγορα, όπως υποτίθεται αυτό το μοντέλο. Ορισμένες άγνωστες διεργασίες, ίσως η ύλη που ξεχειλίζει από τα πρωτότυπα, διατηρούν τα αέρια περιτριγυρισμένα έτσι ώστε ο πυρήνας να μην καταρρεύσει γρήγορα.
«Η αναταραχή αντιτίθεται στη βαρύτητα. Χωρίς αυτό, ένα μοριακό νέφος θα καταρρεύσει πολύ πιο γρήγορα από ό, τι παρατηρήθηκε », είπε ο Klein. Και οι δύο θεωρίες υποθέτουν ότι η αναταραχή είναι εκεί. Το κλειδί είναι (ότι) υπάρχουν διεργασίες που συνεχίζονται καθώς αρχίζουν να σχηματίζονται αστέρια που κρατούν την αναταραχή ζωντανή και την αποτρέπουν από την αποσύνθεση. Το ανταγωνιστικό μοντέλο αύξησης δεν έχει κανέναν τρόπο να το κάνει αυτό στους υπολογισμούς, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μοντελοποιούν πραγματικές περιοχές σχηματισμού αστεριών. "
Οι Klein, McKee και Krumholz συνεχίζουν να βελτιώνουν το μοντέλο τους για να εξηγήσουν πώς δραπετεύει η ακτινοβολία από τα μεγάλα πρωτόσταρα χωρίς να ανατινάξει όλο το αέριο. Για παράδειγμα, έχουν δείξει ότι μέρος της ακτινοβολίας μπορεί να διαφύγει μέσω κοιλοτήτων που δημιουργούνται από τα αεροσκάφη που παρατηρούνται ότι βγαίνουν από τους πόλους πολλών αστεριών σε σχηματισμό. Πολλές προβλέψεις της θεωρίας μπορεί να απαντηθούν από νέα και μεγαλύτερα τηλεσκόπια που βρίσκονται τώρα υπό κατασκευή, ιδίως από το ευαίσθητο, υψηλής ανάλυσης τηλεσκόπιο ALMA που κατασκευάζεται στη Χιλή από μια κοινοπραξία Αμερικανών, Ευρωπαίων και Ιαπωνών αστρονόμων, δήλωσε ο ΜακΚέι.
Το έργο υποστηρίχθηκε από την Εθνική Διοίκηση Αεροναυτικής και Διαστήματος, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Υπουργείο Ενέργειας.
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο τύπου UC Berkeley
