::: Как образуются звезды?

Мы знаем, что они образуются из массивных структур, называемых молекулярными облаками , которые сами формируются из межзвездной среды (ISM). Но как и почему образуются определенные типы звезд? Почему в некоторых ситуациях образуется звезда, подобная нашему Солнцу, по сравнению с красным карликом или синим гигантом? Это один из центральных вопросов астрономии. Это тоже очень сложный вопрос. ISM - это вещество и энергия между солнечными системами в галактике. Звездообразование начинается, когда ISM фрагментируется в огромные облака газа, называемые молекулярными облаками, которые являются предшественниками звезд. У ученых есть вопросы о роли, которую турбулентность играет в этой фрагментации, и о том, как она влияет на типы звезд, которые в конечном итоге образуются. ISM имеет сложные отношения со звездами. После образования звезд они в конечном итоге отдают материал обратно в ISM через сверхновые , планетарные туманности и звездные ветры . Этот обмен между звездами и ISM определяет скорость звездообразования в галактике и продолжительность ее звездообразования. Во всем этом центральную роль играет турбулентность. Новое исследование представляет собой газовое моделирование ISM и того, как он формирует молекулярные облака. Авторы нового исследования хотели понять это лучше, и они выполнили суперкомпьютерное моделирование с самым высоким разрешением этой турбулентности. Их статья озаглавлена ​​« Звуковая шкала, обнаруженная с помощью крупнейшего в мире моделирования сверхзвуковой турбулентности ». Первым автором является Кристоф Федеррат, профессор Института теоретической астрофизики (ITA) Центра астрономии Гейдельбергского университета. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy. Турбулентность в ISM не только определяет скорость звездообразования; он определяет типы образующихся звезд. В этом смысле это также влияет на формирование планет, и если эти планеты могут быть чем-то вроде Земли. Итак, изучение турбулентности - это не какой-то эзотерический аспект астрономии. Это напрямую связано с планетами, даже с жизнью. ISM неравномерно распределен в пространстве между звездами. Он распределяется аналогично тому, как дым поднимается, опускается и течет из-за турбулентности. По мнению авторов исследования, турбулентность является ключом к пониманию того, как газ фрагментируется.

На рисунке показано сечение куба моделирования турбулентности. Цвета показывают контраст плотности относительно средней плотности газа. Его турбулентная структура отчетливо узнаваема. В частности, появляются многочисленные ударные фронты, которые можно определить по резким изменениям плотности от высокой (светло-оранжевый) до низкой (темно-фиолетовый). Это особенно хорошо видно в увеличенном разделе. (Источник: C. Federrath) Изображение предоставлено: Federrath et al, 2021. --------------- Есть сходство между турбулентностью в ISM и турбулентностью в облаках дыма. Крупномасштабная турбулентность в обоих случаях имеет тенденцию переходить в турбулентность меньшего масштаба. Но сравнение не идеальное: ISM крайне нечеткий, от 1 до 100 частиц на квадратный сантиметр объема. Очевидно, дым гораздо плотнее этого. В тонком ISM турбулентная энергия падает до меньшего масштаба, чем в дыме, не только из-за того, насколько он тонкий, но и потому, что ISM имеет очень низкую вязкость. В конце концов, этот каскад снижает скорость турбулентного движения через порог со сверхзвуковой до звуковой. Когда турбулентность пересекает этот порог, в газовом облаке преобладает турбулентность, а затем - гравитация. Когда и как это произойдет, зависит размер плотных ядер молекулярных облаков. И именно плотные ядра приводят к звездообразованию.

Область, показанная на этом изображении, известна как Вспышка Полярной звезды, область пыли и газа в созвездии Малой Медведицы, в 490 световых годах от Земли. Снимок был сделан инфракрасной космической обсерваторией Гершеля ЕКА и отображен в виде цветного изображения. На нем видно несколько запутанных межзвездных волокон, которые простираются на десятки световых лет в космосе. Внутри нитей находятся более плотные участки материала, которые в будущем могут стать звездами. Федеррат и его коллеги сравнили свойства этих нитей и волокон в других областях молекулярного облака с результатами моделирования и обнаружили очень хорошее совпадение. (Источник: ESA и консорциум SPIRE & PACS, доктор Андре (CEA Saclay) для консорциума ключевых программ исследования поясов Гулда и А. Абергель (IAS Orsay) для консорциума Evolution of Interstellar Dust Key Program) --------------------- Этот переход от доминирования турбулентности к преобладанию гравитации является физическим местоположением в облаке, и, несмотря на теоретические предсказания, местоположение, форма и ширина переходной зоны были неизвестны. Это из-за сложности. «Физические процессы настолько сложны, что их взаимодействие можно изучить только с помощью компьютерного моделирования», - сказал соавтор исследования профессор Рафл Клессен из Гейдельбергского университета. Клессен возглавляет исследовательскую группу в университете, и они использовали оборудование в суперкомпьютерном центре Лейбница для проведения моделирования. Федеррат и его коллеги смоделировали турбулентность по обе стороны сверхзвукового и звукового масштабов. Динамика этой турбулентности внутри газовых облаков чрезвычайно сложна и требует огромных вычислительных мощностей для моделирования. «Для нашей специальной симуляции, в которой мы хотим проследить как сверхзвуковые, так и дозвуковые каскады турбулентности с промежуточным звуковым масштабом, мы должны разрешить по крайней мере четыре порядка величины в пространственной протяженности», - пояснил Федеррат в пресс-релизе .

По словам группы исследователей, их моделирование имело оглушительный успех и подтвердило теоретические предсказания. Они смогли найти положение переходной зоны между сверхзвуковым и звуковым масштабами, а также смогли количественно определить ее ширину и форму. Они также обнаружили, что переход не является четко очерченным, а происходит в широком масштабе. Более того, они сравнили результаты своего моделирования с наблюдениями газового облака в Млечном Пути. Эти наблюдения подтвердили их выводы. «Теоретически эта переходная зона определяет частоту, с которой плотные ядра могут быть обнаружены в облаках межзвездного газа», - пояснил профессор Клессен. «Поэтому мы сравнили наши прогнозы с наблюдениями газового облака IC5146 в Млечном Пути и получили очень хорошее согласие. Это обнадеживающий результат », - добавил он. Более широкое сообщество исследователей астрономии обратило внимание на работу группы. Кристофер Макки из отдела астрономии Калифорнийского университета в Беркли и Джеймс Стоун из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, написали статью в журнале «Nature Astronomy» в статье «Новости и обзоры», в которой говорится о важности этого исследования. «Звездообразование имеет центральное значение в астрофизике», - объясняют они. «Это приводит не только к разнообразию звезд, наблюдаемых во Вселенной, но также (косвенно) к образованию планет и черных дыр, созданию тяжелых элементов, возбуждению межзвездной среды и окологалактической среды через обратную связь от радиация, ветры и сверхновые, и даже эволюция галактик ».

Панорамный снимок туманности Киля, сделанный телескопом Хаббла, демонстрирующий турбулентное воздействие звездных ветров и ионизирующего излучения массивных звезд на молекулярное облако, из которого они родились. Изображение предоставлено: НАСА / ЕКА / Н. Смит (Калифорнийский университет, Беркли) / Группа наследия Хаббла (STScI / AURA). ------------- Из-за временной шкалы, связанной с образованием молекулярных облаков и звезд, это невозможно изучить с помощью наблюдений. Эту проблему можно решить только с помощью моделирования, и затем результаты этого моделирования можно будет сравнить с наблюдениями, как в этом новом исследовании. «Сложная и нелинейная структура сверхзвуковой турбулентности делает численные эксперименты критически важными для понимания физики звездообразования», - пишут они в своей статье. А Федеррат и его коллеги выполнили самое тщательное и детальное моделирование. Быстрый прогресс в вычислительной мощности сделал возможным моделирование такого типа, и, как указывают Макки и Стоун, суперкомпьютер, используемый в этом моделировании, уже превзошел по мощности. Для ученых, изучающих эту проблему, разработка мощных компьютеров и столь же мощного программного обеспечения раздвигает границы понимания. «Как в Соединенных Штатах, так и в Европе были объявлены планы сделать так называемые эксафлопсные системы (способные выполнять 10 18 вычислений с плавающей запятой в секунду, что примерно в десять раз быстрее, чем современные суперкомпьютеры), доступными в ближайшие несколько лет», - заявили Макки и Стоун. написать. «Несмотря на то, что разработка научного программного обеспечения, которое может в полной мере использовать преимущества таких систем, будет сложной задачей, будущее вычислительных подходов к исследованию широкого круга проблем астрофизики, включая звездообразование, остается очень светлым».