En skive gjennom en 3D-simulering av en turbulent klump av molekylært hydrogen. Bildekreditt: Mark Krumholz. Klikk for å forstørre
Astrofysikere ved University of California, Berkeley og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har eksplodert en av to konkurrerende teorier om hvordan stjerner dannes i enorme skyer av interstellar gass.
Denne modellen, som er mindre enn 10 år gammel og er forkjempet av noen britiske astronomer, spår at interstellare hydrogenskyer utvikler klumper hvor flere små kjerner - frøene til fremtidige stjerner - dannes. Disse kjernene, mindre enn et lysår, faller sammen under sin egen tyngdekraft og konkurrerer om gass i den omkringliggende klumpen, og får ofte 10 til 100 ganger sin opprinnelige masse fra klumpen.
Den alternative modellen, ofte kalt teorien om "gravitasjonskollaps og fragmentering", antar også at skyer utvikler klumper som det dannes proto-stjernekjerner. Men i denne teorien er kjernene store, og selv om de kan fragmentere i mindre biter for å danne binære eller flere stjernersystemer, inneholder nesten all massen de noen gang vil ha.
“I konkurranseutsetting er kjernene frø som vokser til å bli stjerner; på bildet vårt blir kjernene til stjernene, ”forklarte Chris McKee, professor i fysikk og astronomi ved UC Berkeley. "Observasjonene til dags dato, som hovedsakelig fokuserer på regioner med lavmasse-stjernedannelse, som solen, er i samsvar med vår modell og er i strid med deres."
"Konkurransedyktig akkresjon er den store teorien om stjernedannelse i Europa, og vi tror nå det er en død teori," la Richard Klein, adjunkt i astronomi ved UC Berkeley og forsker ved LLNL.
Mark R. Krumholz, nå postdoktor ved Princeton University, McKee og Klein rapporterer om funnene sine i den 17. november-utgaven av Nature.
Begge teoriene prøver å forklare hvordan stjerner dannes i kalde skyer av molekylært hydrogen, kanskje 100 lysår over og som inneholder 100 000 ganger massen til solen vår. Slike skyer er blitt fotografert i strålende farge av romteleskopene Hubble og Spitzer, men dynamikken i en skys kollaps i en eller mange stjerner er langt fra klar. En teori om stjernedannelse er avgjørende for å forstå hvordan galakser og klynger av galakser dannes, sa McKee.
"Stjernedannelse er et veldig rikt problem, som involverer spørsmål som hvordan stjerner som solen dannet seg, hvorfor et veldig stort antall stjerner er i binære stjernesystemer, og hvordan stjerner ti til hundre ganger solens masse dannes," sa han sa. "De mer massive stjernene er viktige fordi de når de eksploderer i en supernova, produserer de fleste av de tunge elementene vi ser i materialet rundt oss."
Konkurransedyktighetsmodellen ble klekket ut på slutten av 1990-tallet som svar på problemer med gravitasjonskollapsmodellen, som så ut til å ha problemer med å forklare hvor store stjerner dannes. Spesielt kan teorien ikke forklare hvorfor den intense strålingen fra en stor protostar ikke bare blåser av stjernens ytre lag og forhindrer at den vokser seg større, selv om astronomer har oppdaget stjerner som er 100 ganger solens masse.
Mens teoretikere, blant dem McKee, Klein og Krumholz, har fremskaffet gravitasjonskollaps-teorien lenger mot å forklare dette problemet, har konkurransetilstandens teori stadig kommet i konflikt med observasjoner. For eksempel spår akkresjonsteorien at brune dverger, som er mislykkede stjerner, blir kastet ut av klumper og mister sine omringende plater av gass og støv. Det siste året er det imidlertid funnet mange brune dverger med planetskiver.
"Konkurransedyktige teoretikere har ignorert disse observasjonene," sa Klein. "Den ultimate testen for enhver teori er hvor godt den stemmer overens med observasjon, og her ser gravitasjonskollaps-teorien ut til å være den klare vinneren."
Modellen brukt av Krumholz, McKee og Klein er en superdatasimulering av den kompliserte dynamikken i gass i en virvlende, turbulent sky av molekylært hydrogen når den fester seg til en stjerne. Deres er den første studien av virkningene av turbulens på hastigheten som en stjerne samler materien når den beveger seg gjennom en gasssky, og den ødelegger teorien om "konkurransedyktig akkresjon".
Ved å ansette 256 parallelle prosessorer ved San Diego Supercomputer Center i UC San Diego, kjørte de sin modell i nesten to uker for å vise at den nøyaktig representerte stjernedannelsesdynamikken.
"I et halvt år jobbet vi med veldig, veldig detaljerte simuleringer med høy oppløsning for å utvikle denne teorien," sa Klein. "Da vi hadde den teorien i hånden, brukte vi den på stjernedannende regioner med egenskapene som man kunne hente fra et stjernedannende område."
Modellene, som også ble kjørt på superdatamaskiner ved Lawrence Berkeley National Laboratory og LLNL, viste at turbulens i kjernen og den omkringliggende klumpen ville forhindre at akkresjon tilfører mye masse til en protostar.
"Vi har vist at en stjerne på grunn av turbulens ikke effektivt kan anskaffe mye mer masse fra den omkringliggende klumpen," sa Klein. I vår teori, når en kjerne kollapser og fragmenter, har den stjernen i utgangspunktet all massen den noen gang kommer til å ha. Hvis den ble født i en lavmasse kjerne, vil den ende opp med å bli en lavmasse stjerne. Hvis den er født i en kjerne med høy masse, kan den bli en høymasse-stjerne. "
McKee bemerket at forskernes superdatasimulering indikerer konkurranseutsetting kan fungere bra for små skyer med veldig lite turbulens, men disse forekommer sjelden, om noen gang, og har ikke blitt observert til dags dato. Ekte stjernedannelsesregioner har mye mer turbulens enn antatt i tilskuddsmodellen, og turbulensen forfaller ikke raskt, slik den modellen antar. Noen ukjente prosesser, kanskje materie som renner ut av protostarer, holder gassene brusede opp slik at kjernen ikke faller raskt sammen.
“Turbulens motarbeider tyngdekraften; uten den ville en molekylær sky kollapse langt raskere enn observert, sier Klein. ”Begge teoriene antar turbulens er der. Nøkkelen er (at) det er prosesser som foregår når stjerner begynner å dannes som holder liv i turbulensen og forhindrer at den råtner. Konkurransedyktighetsmodellen har ikke noen måte å legge dette inn i beregningene, noe som betyr at de ikke modellerer virkelige stjernedannende regioner. "
Klein, McKee og Krumholz fortsetter å avgrense modellen for å forklare hvordan stråling fra store protostarer slipper ut uten å blåse bort all den innfallende gassen. For eksempel har de vist at noe av strålingen kan slippe ut gjennom hulrom som er opprettet av jetflyene som er observert for å komme ut polene til mange stjerner i formasjonen. Mange spådommer om teorien kan besvares av nye og større teleskoper som nå er under bygging, særlig det følsomme, høyoppløselige ALMA-teleskopet som er konstruert i Chile av et konsortium av USA, europeiske og japanske astronomer, sa McKee.
Arbeidet ble støttet av National Aeronautics and Space Administration, National Science Foundation og Department of Energy.
Originalkilde: UC Berkeley News Release
