En skive gennem en 3D-simulering af en turbulent klump af molekylært brint. Billedkredit: Mark Krumholz. Klik for at forstørre
Astrofysikere ved University of California, Berkeley og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har eksploderet en af to konkurrerende teorier om, hvordan stjerner dannes inden i enorme skyer af interstellar gas.
Denne model, som er mindre end 10 år gammel og er forkæmpet af nogle britiske astronomer, forudsiger, at interstellare brintskyer udvikler klumper, hvor flere små kerner - frøene fra fremtidige stjerner - dannes. Disse kerner falder mindre end et lysår på tværs af deres egen tyngdekraft og konkurrerer om gas i den omkringliggende klump og får ofte 10 til 100 gange deres oprindelige masse fra klumpen.
Den alternative model, ofte benævnt "gravitations-sammenbrud og fragmentering" -teori, antager også, at skyer udvikler klumper, hvor der dannes prototell-stjerne-kerner. Men i denne teori er kernerne store, og selvom de muligvis fragmenterer i mindre stykker til dannelse af binære eller flere stjernesystemer, indeholder næsten al den masse, de nogensinde vil.
”I konkurrencedygtig hævning er kernerne frø, der vokser til at blive stjerner; på vores billede bliver kernerne til stjernerne, ”forklarede Chris McKee, professor i fysik og astronomi ved UC Berkeley. ”De hidtidige observationer, der primært fokuserer på regioner med lavmassestjernedannelse, som solen, er i overensstemmelse med vores model og er uforenelige med deres.”
”Konkurrenceorientering er den store teori om stjernedannelse i Europa, og vi synes nu, det er en død teori,” tilføjede Richard Klein, adjunkt professor i astronomi ved UC Berkeley og forsker på LLNL.
Mark R. Krumholz, nu postdoktor ved Princeton University, McKee og Klein, rapporterer om deres fund i november 17-udgaven af Nature.
Begge teorier forsøger at forklare, hvordan stjerner dannes i kolde skyer af molekylært brint, måske 100 lysår på tværs af og indeholder 100.000 gange massen af vores sol. Sådanne skyer er blevet fotograferet i strålende farve af rumteleskoperne Hubble og Spitzer, men dynamikken i en skys sammenbrud i en eller mange stjerner er langt fra klar. En teori om stjernedannelse er kritisk for at forstå, hvordan galakser og klynger af galakser dannes, sagde McKee.
”Stjernedannelse er et meget rigt problem, der involverer spørgsmål som hvordan stjerner som solen dannede sig, hvorfor et meget stort antal stjerner er i binære stjernesystemer, og hvordan stjerner ti til hundrede gange solens masse dannes,” sagde han sagde. ”De mere massive stjerner er vigtige, fordi når de eksploderer i en supernova, producerer de de fleste af de tunge elementer, vi ser i materialet omkring os.”
Den konkurrencedygtige tiltrædelsesmodel blev klækket ud i slutningen af 1990'erne som svar på problemer med gravitations-sammenbrudsmodellen, som syntes at have problemer med at forklare, hvor store stjerner dannes. Specielt kunne teorien ikke forklare, hvorfor den intense stråling fra en stor protostar ikke bare sprænger stjernens ydre lag og forhindrer den i at vokse sig større, selvom astronomer har opdaget stjerner, der er 100 gange solens masse.
Mens teoretikere, blandt dem McKee, Klein og Krumholz, har fremskredt gravitations-sammenbrudsteorien længere hen imod at forklare dette problem, er den konkurrencedygtige accretionsteori i stigende grad kommet i konflikt med observationer. For eksempel forudsiger tiltrædelsesteorien, at brune dværge, som er mislykkede stjerner, kastes ud af klumper og mister deres omringende skiver med gas og støv. I det forløbne år er der dog fundet talrige brune dværge med planetariske diske.
”Konkurrence-teoretikere har ignoreret disse observationer,” sagde Klein. ”Den ultimative test af enhver teori er, hvor godt den stemmer overens med observation, og her ser gravitations-sammenbrudsteorien ud til at være den klare vinder.”
Modellen, der bruges af Krumholz, McKee og Klein, er en supercomputer-simulering af den komplicerede dynamik i gas inde i en hvirvlende, turbulent sky af molekylært brint, når den hæver sig på en stjerne. Deres er den første undersøgelse af virkningerne af turbulens på den hastighed, hvormed en stjerne hæver sagen, når den bevæger sig gennem en gassky, og den ødelægger "konkurrencedygtig accretion" -teorien.
De beskæftigede 256 parallelle processorer i San Diego Supercomputer Center i UC San Diego og kørte deres model i næsten to uger for at vise, at det nøjagtigt repræsenterede stjernedannelsesdynamikken.
”I seks måneder arbejdede vi på meget, meget detaljerede simuleringer i høj opløsning for at udvikle denne teori,” sagde Klein. ”Da vi havde den teori i hånden, anvendte vi den på stjernedannende regioner med de egenskaber, som man kunne hente fra en stjernedannende region.”
Modellerne, der også blev kørt på supercomputere ved Lawrence Berkeley National Laboratory og LLNL, viste, at turbulens i kernen og den omkringliggende klump ville forhindre, at akkretion tilføjer en masse masse til en protostar.
”Vi har vist, at en stjerne på grund af turbulens ikke effektivt kan akkumulere meget mere masse fra den omgivende klump,” sagde Klein. ”I vores teori, når en kerne først kollapser og fragmenter, har den stjerne dybest set al den masse, den nogensinde vil have. Hvis den blev født i en lavmasse-kerne, vil den ende med at blive en lavmasse-stjerne. Hvis den er født i en kerne med høj masse, kan den blive en stjerne med høj masse. ”
McKee bemærkede, at forskernes supercomputer-simulering indikerer, at konkurrenceevnen kan fungere godt for små skyer med meget lidt turbulens, men disse forekommer sjældent, hvis nogensinde, og er ikke blevet observeret til dato. Reelle stjernedannelsesregioner har meget mere turbulens end antaget i tiltrædelsesmodellen, og turbulensen forfalder ikke hurtigt, da den model antager. Nogle ukendte processer, måske stof, der flyder ud af protostarer, holder gasserne brusede op, så kernen ikke kollapser hurtigt.
”Turbulens modsætter sig tyngdekraften; uden det ville en molekylær sky kollapse langt hurtigere end observeret, ”sagde Klein. ”Begge teorier antager, at der er turbulens. Nøglen er (at) der er processer i gang, når stjerner begynder at dannes, der holder turbulensen i live og forhindrer den i at henfalde. Den konkurrencedygtige akkretionsmodel har ikke nogen måde at sætte dette på i beregningerne, hvilket betyder, at de ikke modellerer ægte stjernedannende regioner. ”
Klein, McKee og Krumholz fortsætter med at forfine deres model for at forklare, hvordan stråling fra store protostarer slipper ud uden at sprænge al den infalling gas. For eksempel har de vist, at en del af strålingen kan undslippe gennem hulrum, der er skabt af jets, der observeres at komme ud af polernes mange stjerner i dannelse. Mange forudsigelser af teorien kan besvares af nye og større teleskoper, der nu er under opførelse, især det følsomme, højopløselige ALMA-teleskop, der er konstrueret i Chile af et konsortium af USA, europæiske og japanske astronomer, sagde McKee.
Arbejdet blev støttet af National Aeronautics and Space Administration, National Science Foundation og Department of Energy.
Original kilde: UC Berkeley News Release
