Miten tähdet muodostuvat?
Tiedämme, että ne muodostuvat massiivisista rakenteista nimeltä molekyylipilviä , jotka itse muodostavat Tähtienvälinen keskikokoinen (ISM). Mutta miten ja miksi tietyntyyppiset tähdet muodostuvat? Miksi joissain tilanteissa aurinkomme kaltainen tähti muodostuu punaisen kääpiön tai sinisen jättiläisen sijaan?
Se on yksi tähtitieteen keskeisistä kysymyksistä. Se on myös erittäin monimutkainen.
ISM on galaksin aurinkojärjestelmien välinen aine ja energia. Tähtien muodostuminen alkaa, kun ISM fragmentoituu valtaviksi kaasupilviksi, joita kutsutaan molekyylipilviksi, jotka ovat tähtien esiasteita. Tutkijoilla on kysymyksiä siitä, mikä rooli turbulenssilla on fragmentoitumisessa ja kuinka se vaikuttaa lopulta muodostuviin tähtityyppeihin.
ISM:llä on monimutkainen suhde tähtiin. Kun tähdet muodostuvat, ne lopulta luovuttavat materiaalin takaisin ISM:lle supernovat , planetaariset sumut , ja tähtien tuulet . Tämä edestakaisin tähtien ja ISM:n välinen suhde määrää galaksin tähtien muodostumisnopeuden ja sen tähtien muodostumisen eliniän.
Turbulenssilla on keskeinen rooli kaikessa tässä. Uusi tutkimus esittelee kaasusimulaation ISM:stä ja siitä, kuinka se muodostaa molekyylipilviä. Uuden tutkimuksen kirjoittajat halusivat ymmärtää sitä paremmin, ja he suorittivat tähän mennessä suurimmat korkearesoluutioiset supertietokonesimulaatiot kyseisestä turbulenssista.
Heidän paperinsa otsikko on ' Maailman suurimmassa yliääniturbulenssisimulaatiossa paljastettu ääniasteikko .” Ensimmäinen kirjoittaja on Christoph Federrath, professori Teoreettisen astrofysiikan instituutissa (ITA) Heidelbergin yliopiston tähtitieteen keskuksessa. Tutkimus on julkaistu Nature Astronomy -lehdessä.
ISM:n turbulenssi ei ainoastaan määrää tähtien muodostumisnopeuksia; se määrittää muodostuvien tähtien tyypit. Siinä mielessä se vaikuttaa myös planeettojen muodostumiseen, ja jos nämä planeetat voivat olla mitä tahansa Maan kaltaisia. Joten turbulenssin tutkiminen ei ole jokin esoteerinen tangentti tähtitiedessä. Se liittyy suoraan planeetoihin, jopa elämään.
ISM ei ole jakautunut tasaisesti tähtien väliseen tilaan. Se jakautuu samalla tavalla kuin savu nousee ja laskee ja virtaa turbulenssin vuoksi. Turbulenssi on tutkimuksen tekijöiden mukaan avain kaasun sirpaleiden ymmärtämiseen.
Kuvassa on leikkaus turbulenssisimuloinnin kuution läpi. Värit osoittavat tiheyskontrastia suhteessa kaasun keskimääräiseen tiheyteen. Sen turbulentti rakenne on selvästi tunnistettavissa. Erityisesti esiin tulevat lukuisat iskurintamat, jotka tunnistetaan tiheyden jyrkistä muutoksista suuresta tiheydestä (vaaleanoranssi) matalaan tiheyteen (tumma violetti). Tämä näkyy erityisen selvästi laajennetussa osiossa. (Lähde: C. Federrath) Kuvan luotto: Federrath et al, 2021.
ISM:n turbulenssin ja savupilvien turbulenssin välillä on yhtäläisyyksiä. Suuren mittakaavan turbulenssi molemmissa pyrkii kaskadoitumaan pienemmän mittakaavan turbulenssiksi. Mutta vertailu ei ole täydellinen: ISM on erittäin hauras, ja siinä on vain 1-100 hiukkasta neliösenttimetriä kohti. Ilmeisesti savu on paljon tiheämpää kuin se.
Ohuessa ISM:ssä pyörteinen energia kaskadee pienempään mittakaavaan kuin savussa, ei pelkästään sen ohuuden vuoksi, vaan myös siksi, että ISM:n viskositeetti on erittäin alhainen. Lopulta tämä kaskadi vähentää turbulenttisen liikkeen nopeutta kynnyksen yli yliääninopeudesta äänennopeuteen.
Kun turbulenssi ylittää tuon kynnyksen, kaasupilvi muuttuu turbulenssidominoimasta painovoimavaltaiseksi. Milloin ja miten se tapahtuu, määrittää molekyylipilvien tiheiden ytimien koon. Ja juuri tiheät ytimet johtavat tähtien muodostumiseen.
Tässä kuvassa näkyvä alue tunnetaan nimellä Polaris Flare, pölyn ja kaasun alue Pienjärven tähdistössä, 490 valovuoden päässä Maasta. Sen otti ESAn Herschel-infrapuna-avaruusobservatorio ja se esitettiin värikomposiittina. Siinä näkyy useita sotkeutuneita tähtienvälisiä filamentteja, jotka ulottuvat kymmeniä valovuosia läpi avaruuden. Filamenttien sisään on upotettu tiheämpiä materiaaliläiskiä, joista voi tulevaisuudessa muodostua tähtiä. Federrath ja hänen kollegansa vertasivat näiden filamenttien ja muiden molekyylipilvialueiden ominaisuuksia simulaatioihinsa ja löysivät erittäin hyvän yhteisymmärryksen. (Lähde: ESA ja SPIRE & PACS -konsortio, Ph. André (CEA Saclay) Gould’s Belt Survey Key Program Consortiumista ja A. Abergel (IAS Orsay) The Evolution of Interstellar Dust Key Program Consortiumista)
Siirtymä turbulenssi-dominoimasta painovoiman hallitsemaan on fyysinen sijainti pilvessä, ja teoreettisista ennusteista huolimatta siirtymävyöhykkeen sijainti, muoto ja leveys eivät olleet tiedossa. Se johtuu monimutkaisuudesta.
'Fyysiset prosessit ovat niin valtavan monimutkaisia, että niiden vuorovaikutusta voidaan tutkia vain tietokonesimulaatioiden avulla', sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja, professori Rafl Klessen Heidelbergin yliopistosta.
Klessen johtaa tutkimusryhmää yliopistossa, ja he käyttivät laitteita yliopistossa Leibnizin supertietokonekeskus simulaatioiden suorittamiseen.
Federrath ja hänen kollegansa mallinsivat turbulenssia yliääni- ja ääniasteikon molemmilla puolilla. Tuon kaasupilvien sisällä olevan turbulenssin dynamiikka on erittäin monimutkaista ja vaati äärimmäistä laskentatehoa simuloidakseen. 'Erityissimulaatiossamme, jossa haluamme seurata sekä yliääni- että aliääniturbulenssikaskadeja ääniasteikolla niiden välissä, meidän on ratkaistava vähintään neljä suuruusluokkaa spatiaalisessa laajuudessa', Federrath selitti. Lehdistötiedote .
Tämä on kuvakaappaus videosta joukkueen simulaatiosta. Napsauta nähdäksesi. Luotto: Federrath et al 2021.
Tutkijaryhmän mukaan heidän simulaationsa olivat huima menestys ja vahvistivat teoreettiset ennusteet. He pystyivät löytämään yliääni- ja ääniasteikkojen välisen siirtymävyöhykkeen sijainnin ja pystyivät määrittämään sen leveyden ja muodon. He havaitsivat myös, että siirtymä ei ole jyrkästi rajattu, vaan se tapahtuu laajasti.
Ei vain sitä, vaan he vertasivat simulointinsa tuloksia Linnunradan kaasupilven havaintoihin. Nämä havainnot vahvistivat heidän havaintojaan.
'Teoreettisesti tämä siirtymävyöhyke määrittelee tiheyden, jolla tiheät ytimet voidaan löytää tähtienvälisistä kaasupilvistä', selitti prof. Klessen. 'Olemme siksi vertailleet ennusteitamme Linnunradan kaasupilven IC5146 havaintoihin ja saaneet erittäin hyvän yhteisymmärryksen. Tämä on rohkaiseva tulos, hän lisäsi.
Laajempi tähtitieteen tutkijayhteisö on huomioinut ryhmän työn. Christopher McKee UC Berkeleyn tähtitieteen laitoksesta ja James Stone Princetonin yliopiston Advanced Study -instituutista kirjoittivat Uutiset ja näkymät -kappale Nature Astronomyssa puhumassa tämän tutkimuksen merkityksestä.
'Tähtien muodostuminen on keskeistä astrofysiikassa', he selittävät. 'Se ei johda ainoastaan universumissa havaittuun monimuotoiseen tähtivalikoimaan, vaan myös (epäsuorasti) planeettojen ja mustien aukkojen muodostumiseen, raskaiden alkuaineiden syntymiseen, tähtienvälisen väliaineen ja ympärigalaktisen väliaineen energisoitumiseen palautteen kautta. säteily, tuulet ja supernovat ja jopa galaksien evoluutio.'
Hubble-panoraamakuva Carina-sumusta, jossa näkyy tähtituulten ja massiivisten tähtien ionisoivan säteilyn myrskyisät vaikutukset molekyylipilvessä, josta tähdet syntyivät. Kuvan ansiot: NASA / ESA / N. Smith (Kalifornian yliopisto, Berkeley) / Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Molekyylipilvien ja tähtien muodostumiseen liittyvän aikaskaalan vuoksi sitä ei voida tutkia havainnollisesti. Sitä voidaan käsitellä vain simulaatioilla, ja näiden simulaatioiden tuloksia voidaan sitten verrata havaintoihin, kuten tässä uudessa tutkimuksessa. 'Yliäänisen turbulenssin monimutkainen ja epälineaarinen rakenne tekee numeerisista kokeista ratkaisevan tärkeitä tähtien muodostumisen fysiikan ymmärtämiseksi', pariskunta kirjoittaa artikkelissaan.
Ja Federrath ja hänen kollegansa ovat suorittaneet tähän asti tiukimman ja yksityiskohtaisimman simulaation. Laskennan tehon nopea kehitys on mahdollistanut tämäntyyppiset simulaatiot, ja kuten McKee ja Stone huomauttavat, tässä simulaatiossa käytetty supertietokone on jo ylitetty teholtaan.
Ongelmaa tutkiville tutkijoille tehokkaiden tietokoneiden ja yhtä tehokkaiden ohjelmistojen kehitys työntää ymmärryksen rajoja. ”Sekä Yhdysvalloissa että Euroopassa suunnitellaan niin sanottujen exascale-järjestelmien valmistamista (1018Liukulukulaskelmat sekunnissa, noin kymmenen kertaa nopeammat kuin nykyiset supertietokoneet) on julkaistu lähivuosina”, McKee ja Stone kirjoittaa. 'Vaikka on suuri haaste kehittää tieteellisiä ohjelmistoja, jotka voivat hyödyntää täysimääräisesti tällaisia järjestelmiä, lukuisten astrofysiikan ongelmien, mukaan lukien tähtien muodostumisen, tutkimiseen tarkoitettujen laskennallisten lähestymistapojen tulevaisuus on edelleen erittäin valoisa.'
Lisää:
- Lehdistötiedote: Tähtienvälisen väliaineen turbulenssisimulaatio rikkoo ennätyksiä
- Uusi tutkimus: Tähtienvälisen turbulenssin ääniasteikko
- Uutisia ja näkymiä: Turbulenssi taivaassa
- Universumi tänään: Tähtitieteilijät kartoittavat raaka-aineen uusien tähtien muodostumiseen Linnunradalla