Как возникают звезды?

Возникновение звезд происходит в течение миллионов лет в плотных, холодных облаках молекулярного газа и пыли. Это не тот процесс, который люди, когда-либо смогут наблюдать от начала до конца, но появилась впечатляющая симуляция.

Симуляция называется STARFORGE (Звездообразование в газовой среде), и с ее помощью астрономы впервые смогли смоделировать целое молекулярное облако из образующихся звезд, область, известную как звездный питомник, и все это в великолепном трехмерном разрешении.

Работа поможет астрономам более детально изучить звездообразование, сравнивая его с реальными протозвездами (звездами, которые еще не полностью образовались) на разных стадиях формирования, что поможет понять происходящие процессы.

«Как возникают звезды — это центральный вопрос астрофизики», — сказал астрофизик Клод-Андре Фошер-Жигер из Северо-Западного университета.

«Это очень сложный вопрос для изучения из-за целого ряда задействованных физических процессов. Но новое моделирование поможет нам напрямую ответить на фундаментальные вопросы, на которые мы не могли дать окончательного ответа раньше».

Мы думаем, что понимаем основные моменты звездообразования. Все начинается со сгустка молекулярного газа, обычно находящегося в облаке вещества. При достаточной плотности сгусток схлопывается под действием собственной силы тяжести, образуя протозвезду, которая начинает вращаться.

Это вращение заставляет материал в облаке вокруг него образовывать диск, который вливается в растущую звезду, как вода в канализацию, неумолимо втягиваемая ее усиливающимся гравитационным притяжением.

Когда звезда наберет достаточную массу, в ядре будет достаточно тепла и давления, чтобы зажечь ядерный синтез, при котором атомы водорода сливаются с образованием гелия. Из остатков материала на диске образуются планеты, астероиды и прочие космические тела.

Однако все процессы происходят в плотном облаке, а это значит, что нам трудно в этом разобраться. И поскольку это происходит в течение миллионов лет, любая отдельная протозвезда, которую мы наблюдаем, представляет собой всего лишь один-единственный снимок гораздо более длительного, более крупного и очень сложного события.

Чтобы построить STARFORGE, команде астрономов во главе с Майклом Грудичем из Северо-Западного университета пришлось принять во внимание множество физических явлений, включая температуру, гравитацию, магнитные поля, газовую динамику, а также мощные звездные ветры и плазменные струи, излучаемые младшими звездами.

Они проводили свои симуляции на одном из самых мощных суперкомпьютеров в мире, Техасском университете Фронтера, в течение почти 100 дней. Результат, увиденный на одном видео, — это прекрасное явление – целые ясли звезд и формирование звезд внутри от начала до конца.

«Люди моделируют звездообразование уже пару десятилетий, но STARFORGE — это качественный скачок в технологиях», — сказал Грудич.

«Другие модели смогли охватить только крошечный участок облака, где формируются звезды, а не все облако в высоком разрешении. Не видя общей картины, мы упускаем множество факторов, которые могут повлиять на возникновение звезды».

Смоделированное облако на видео, огромный объект, в 20 000 раз более массивный, чем Солнце, вначале просто плывет в космосе. Со временем на газ воздействуют такие силы, как межзвездные ветры и ударные волны, которые создают области с более высокой плотностью, которые могут гравитационно коллапсировать в протозвезды. Во втором видео моделируется облако массой 200 000 солнечных масс.

Когда звезда формируется и растет, она начинает производить мощный звездный ветер. Кроме того, материал, попадающий в звезду, начинает взаимодействовать с магнитными полями звезды; часть его уносится прочь, течет вдоль силовых линий магнитного поля к полюсам, где выбрасывается в космос в виде мощных плазменных струй.

Обе эти формы обратной связи отталкивают окружающий газ, который перекрывает поток материала, предотвращая дальнейший рост звезды.

«Струи нарушают приток газа к звезде», — пояснил Грудич.

«По сути, они уносят газ, который мог бы попасть в звезду и увеличить ее массу. Люди подозревали, что это могло происходить, но, моделируя всю систему, мы получили четкое представление о том, как это работает».

Это также прекрасно демонстрирует потенциал STARFORGE. Начав со сценария, максимально приближенного к реальной Вселенной, астрономы могут исследовать множество различных физических процессов, действующих в звездных яслях.

Включение и выключение этих процессов может помочь определить, какие из них играют важную роль, и ответить на важные вопросы о Вселенной.

Исследование опубликовано в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.

Источники: Фото: Northwestern University/UT Austin