En skiva genom en 3D-simulering av en turbulent klump av molekylärt väte. Bildkredit: Mark Krumholz. Klicka för att förstora
Astrofysiker vid University of California, Berkeley och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har exploderat en av två konkurrerande teorier om hur stjärnor bildas i enorma moln av interstellär gas.
Den modellen, som är mindre än tio år gammal och förkämpar av vissa brittiska astronomer, förutspår att interstellära vät moln utvecklar klumpar i vilka flera små kärnor - frön från framtida stjärnor - bildas. Dessa kärnor, mindre än ett ljusår över, kollapsar under sin egen tyngdkraft och tävlar om gas i den omgivande klumpen och får ofta 10 till 100 gånger sin ursprungliga massa från klumpen.
Den alternativa modellen, ofta benämnd teorin om "gravitations kollaps och fragmentering", förutsätter också att moln utvecklar klumpar i vilka det bildas proto-stjärna kärnor. Men i denna teori är kärnorna stora och även om de kan fragmentera i mindre bitar för att bilda binära eller multipla stjärnsystem, innehåller nästan all den massa de någonsin kommer att göra.
”Med konkurrenskraftig tillträde är kärnorna frön som växer till att bli stjärnor; i vår bild förvandlas kärnorna till stjärnorna, ”förklarade Chris McKee, professor i fysik och astronomi vid UC Berkeley. "Observationerna hittills, som främst fokuserar på regioner med lågmassastjärnbildning, som solen, överensstämmer med vår modell och stämmer inte med deras."
"Konkurrenskraftig tillträde är den stora teorin om stjärnbildningen i Europa, och vi tror nu att det är en död teori," tillade Richard Klein, adjungerad professor i astronomi vid UC Berkeley och forskare vid LLNL.
Mark R. Krumholz, nu en postdoktor vid Princeton University, McKee och Klein rapporterar om sina resultat i november-numret av Nature.
Båda teorierna försöker förklara hur stjärnor bildas i kalla moln av molekylärt väte, kanske 100 ljusår över och som innehåller 100 000 gånger massan av vår sol. Sådana moln har fotograferats i lysande färg av rymdteleskoperna Hubble och Spitzer, men dynamiken i ett molns kollaps till en eller många stjärnor är dock långt ifrån klar. En teori om stjärnbildning är avgörande för att förstå hur galaxer och galaxkluster bildas, sade McKee.
"Stjärnbildning är ett mycket rikt problem, som involverar frågor som hur stjärnor som solen bildades, varför ett mycket stort antal stjärnor finns i binära stjärnsystem, och hur stjärnor tio till hundra gånger solens massa bildas," säger han sa. "De mer massiva stjärnorna är viktiga eftersom de, när de exploderar i en supernova, producerar de flesta av de tunga elementen vi ser i materialet runt oss."
Konkurrensmodellen för tillträde kläcktes i slutet av 1990-talet som svar på problem med gravitationskollapsmodellen, som tycktes ha problem med att förklara hur stora stjärnor bildas. I synnerhet kunde teorin inte förklara varför den intensiva strålningen från en stor protostar inte bara blåser av stjärnans yttre lager och förhindrar att den växer större, även om astronomer har upptäckt stjärnor som är 100 gånger solens massa.
Medan teoretikerna, bland dem McKee, Klein och Krumholz, har framskritt teorin om gravitationskollaps längre mot att förklara detta problem, har den konkurrensutsatta teorin ökat i konflikt med observationer. Till exempel förutspår tillskottsteorin att bruna dvärgar, som är misslyckade stjärnor, kastas ur klumpar och förlorar sina omgivande skivor med gas och damm. Under det senaste året har emellertid många bruna dvärgar hittats med planetskivor.
"Konkurrenskraftiga teoretiker har ignorerat dessa iakttagelser," sade Klein. "Det ultimata testet av någon teori är hur väl den överensstämmer med observationen, och här verkar teorin om gravitationskollaps vara den tydliga vinnaren."
Modellen som används av Krumholz, McKee och Klein är en superdatorsimulering av den komplicerade gasdynamiken i ett virvlande, turbulent moln av molekylväte när den fästs på en stjärna. Deras är den första studien av effekterna av turbulens på den hastighet med vilken en stjärna förvärvar materien när den rör sig genom ett gasmoln, och det förstör teorin om "konkurrenskraftig tillskott".
De anställde 256 parallella processorer vid San Diego Supercomputer Center vid UC San Diego och körde sin modell i nästan två veckor för att visa att den exakt representerade stjärnbildningsdynamiken.
"I sex månader arbetade vi med mycket, mycket detaljerade, högupplösta simuleringar för att utveckla den teorin," sa Klein. "Sedan med den teorin i handen använde vi den på stjärnbildande regioner med de egenskaper som man kunde hämta från en stjärnbildande region."
Modellerna, som också kördes på superdatorer vid Lawrence Berkeley National Laboratory och LLNL, visade att turbulens i kärnan och den omgivande klumpen skulle förhindra att tillskottet lägger till en massa massor till en protostar.
"Vi har visat att en stjärna på grund av turbulens inte effektivt kan ansluta sig till mycket mer massa från den omgivande klumpen," sa Klein. ”I vår teori, när en kärna kollapsar och fragment, har den stjärnan i princip all den massa den någonsin kommer att ha. Om den föddes i en kärn med låg massa, kommer den att bli en lågmassastjärna. Om den är född i en hög massakärna kan den bli en högmassastjärna. "
McKee noterade att forskarnas superdatorsimulering indikerar konkurrenskraftig tillträde kan fungera bra för små moln med mycket liten turbulens, men dessa förekommer sällan, om någonsin, och har hittills inte observerats. Verkliga stjärnbildningsregioner har mycket mer turbulens än antagits i tillträdesmodellen, och turbulensen försvinner inte snabbt, eftersom den modellen förutsätter. Vissa okända processer, kanske materie som flyter ut från protostar, håller gaserna upprullade så att kärnan inte kollapsar snabbt.
”Turbulens motsätter sig allvar; utan det skulle ett molekylärt moln kollapsa mycket snabbare än observerats, sade Klein. ”Båda teorierna antar att turbulens är där. Nyckeln är (att) det finns processer som pågår när stjärnor börjar bildas som håller turbulensen vid liv och förhindrar att den förfaller. Konkurrensmodellen har inte något sätt att sätta detta i beräkningarna, vilket innebär att de inte modellerar riktiga stjärnbildande regioner. "
Klein, McKee och Krumholz fortsätter att förfina sin modell för att förklara hur strålning från stora protostarer rymmer utan att blåsa bort all den infalling gasen. Till exempel har de visat att en del av strålningen kan komma ut genom håligheter som skapats av jets som observerats komma ut från många stjärnor i formningen. Många förutsägelser om teorin kan besvaras av nya och större teleskoper som nu håller på att byggas, särskilt det känsliga, högupplösta ALMA-teleskopet som byggs i Chile av ett konsortium av USA, europeiska och japanska astronomer, sa McKee.
Arbetet stöds av National Aeronautics and Space Administration, National Science Foundation och Department of Energy.
Originalkälla: UC Berkeley News Release
