איך נוצרים כוכבים?
אנו יודעים שהם נוצרים ממבנים מסיביים הנקראים עננים מולקולריים , שבעצמם יוצרים מה מדיום בין כוכבי (ISM). אבל איך ולמה נוצרים סוגים מסוימים של כוכבים? מדוע, במצבים מסוימים, נוצר כוכב כמו השמש שלנו, לעומת גמד אדום או ענק כחול?
זו אחת השאלות המרכזיות באסטרונומיה. זה גם מאוד מורכב.
ה-ISM הוא החומר והאנרגיה בין מערכות שמש בגלקסיה. היווצרות כוכבים מתחילה כאשר ה-ISM מתפצל לעננים עצומים של גז הנקראים עננים מולקולריים, שהם מבשרי הכוכבים. למדענים יש שאלות לגבי התפקיד שטורבולציה ממלאת בפיצול הזה וכיצד היא משפיעה על סוגי הכוכבים שנוצרים בסופו של דבר.
ל-ISM יש מערכת יחסים מורכבת עם כוכבים. לאחר היווצרות כוכבים, הם בסופו של דבר מחזירים את החומר ל-ISM באמצעות סופרנובות , ערפיליות פלנטריות , ו רוחות כוכבים . זה הלוך ושוב בין כוכבים ל-ISM קובע את קצב היווצרות הכוכבים של הגלקסיה ואת תוחלת החיים שלה.
מערבולת משחקת תפקיד מרכזי בכל זה. מחקר חדש מציג הדמיית גז של ISM וכיצד הוא יוצר עננים מולקולריים. מחברי המחקר החדש רצו להבין אותו טוב יותר, והם ביצעו את הדמיית מחשבי העל ברזולוציה הגבוהה ביותר עד כה של המערבולת הזו.
הכותרת שלהם היא ' קנה המידה הקולי שנחשף על ידי הדמיית המערבולת העל-קולית הגדולה בעולם .' המחבר הראשון הוא כריסטוף פדררת, פרופסור במכון לאסטרופיזיקה תיאורטית (ITA) במרכז לאסטרונומיה של אוניברסיטת היידלברג. המחקר פורסם ב-Nature Astronomy.
המערבולת ב-ISM לא רק קובעת את שיעורי היווצרות הכוכבים; הוא קובע את סוגי הכוכבים שנוצרים. במובן זה, זה משפיע גם על היווצרות כוכבי לכת, ואם כוכבי לכת אלה יכולים להיות כמו כדור הארץ. אז חקר המערבולת הוא לא איזה משיק אזוטרי באסטרונומיה. זה קשור ישירות לכוכבי לכת, אפילו לחיים.
ה-ISM אינו מופץ באופן אחיד ברווח שבין כוכבים. הוא מופץ באופן דומה לאופן שבו עשן עולה ויורד וזורם עקב מערבולות. המערבולת היא המפתח להבנת האופן שבו הגז מתפצל, לפי מחברי המחקר.
האיור מציג חתך דרך הקובייה של סימולציית הטורבולנציה. הצבעים מראים את ניגודיות הצפיפות ביחס לצפיפות הממוצעת של הגז. ניתן לזהות בבירור את המבנה הסוער שלו. בפרט, חזיתות הזעזועים הרבות מופיעות, הניתנות לזיהוי על ידי השינויים החדים בצפיפות מצפיפות גבוהה (כתום בהיר) לצפיפות נמוכה (סגול כהה). זה ברור במיוחד בקטע המוגדל. (מקור: C. Federrath) קרדיט תמונה: Federrath et al, 2021.
יש קווי דמיון בין המערבולת ב-ISM לבין המערבולת בענני עשן. מערבולת בקנה מידה גדול בשניהם נוטה לרדת למערבולת בקנה מידה קטן יותר. אבל ההשוואה אינה מושלמת: ה-ISM קלוש ביותר, עם בין 1 ל-100 חלקיקים בלבד לסנטימטר רבוע של נפח. ברור שעשן הרבה יותר צפוף מזה.
ב-ISM הדק, האנרגיה הסוערת יורדת בקנה מידה קטן יותר מאשר בעשן, לא רק בגלל כמה הוא דק אלא גם בגלל של-ISM יש צמיגות נמוכה מאוד. בסופו של דבר, מדורגת זו מפחיתה את מהירות התנועה הסוערת על פני סף ממהירות על-קולית למהירות קולית.
כשהמערבולות חוצה את הסף הזה, ענן הגז משתנה מנשלט על ידי מערבולות לנשלט על ידי כוח הכבידה. מתי וכיצד זה קורה קובעים את גודל הליבות הצפופות של עננים מולקולריים. ואלה הליבות הצפופות שמובילות להיווצרות כוכבים.
האזור המוצג בתמונה זו ידוע בשם התלקחות פולאריס, אזור של אבק וגז בקבוצת הכוכבים אורסה מינור, 490 שנות אור מכדור הארץ. הוא צולם על ידי מצפה החלל האינפרא אדום של ESA Herschel והוצג כקומפוזיט צבעוני. הוא מראה כמה חוטים בין-כוכביים סבוכים, הנמתחים במשך עשרות שנות אור בחלל. בתוך החוטים מוטבעים כתמי חומר צפופים יותר, שבעתיד עשויים להפוך לכוכבים. עמיתיו של פדררת' וחבריו השוו את המאפיינים של חוטים אלו ושל אלו באזורי ענן מולקולרי אחרים להדמיות שלהם ומצאו התאמה טובה מאוד. (מקור: ESA וקונסורציית SPIRE & PACS, Ph. André (CEA Saclay) עבור קונסורציום מפתח תוכנית הסקר של Gould's Belt, ו-A. Abergel (IAS Orsay) ל-Evolution of Interstellar Dust Key Program Consortium)
המעבר הזה משליטה במערבולות לשולט בכוח הכבידה הוא מיקום פיזי בענן, ולמרות התחזיות התיאורטיות, המיקום, הצורה והרוחב של אזור המעבר לא היו ידועים. זה נובע מהמורכבות.
'התהליכים הפיזיקליים הם כה מורכבים עד שניתן ללמוד את יחסי הגומלין ביניהם רק בעזרת הדמיות ממוחשבות', אמר מחבר המחקר פרופסור רפל קלסן, מאוניברסיטת היידלברג.
קלסן מוביל קבוצת מחקר באוניברסיטה, והם השתמשו בציוד ב- מרכז מחשוב העל לייבניץ לבצע את הסימולציות.
פדררת' ועמיתיו דגמנו את הסערה משני הצדדים של הסולמות העל-קוליים והקוליים. הדינמיקה של אותה מערבולת בתוך ענני הגז מורכבת ביותר ונדרשת כוח מחשוב קיצוני כדי לדמות. 'עבור הסימולציה המיוחדת שלנו, שבה אנו רוצים לעקוב אחר מפל המערבולות העל-קוליות והתת-קוליות עם הסולם הקולי ביניהם, עלינו לפתור לפחות ארבעה סדרי גודל בהיקף מרחבי', הסביר פדררת' ב ידיעה לתקשורת .
זהו צילום מסך של הסרטון של הדמיית הצוות. לחץ לצפייה. קרדיט: Federrath et al 2021.
על פי צוות החוקרים, הסימולציות שלהם היו הצלחה מסחררת ואישרו תחזיות תיאורטיות. הם הצליחו למצוא את מיקומו של אזור המעבר בין סולמות על-קוליים לקוליים, והצליחו לכמת את רוחבו וצורתו. הם גם גילו שהמעבר אינו מתוחם בחדות, אלא מתרחש בקנה מידה רחב.
לא רק זה, אלא שהם השוו את תוצאות הסימולציה שלהם עם תצפיות בענן גז בשביל החלב. התצפיות הללו אישרו את ממצאיהם.
'תיאורטית, אזור המעבר הזה מגדיר את התדירות שבה ניתן למצוא גרעינים צפופים בענני גז בין-כוכביים', הסביר פרופ' קלסן. 'לכן השווינו את התחזיות שלנו עם תצפיות בענן הגז IC5146 בשביל החלב והשגנו הסכמה טובה מאוד. זו תוצאה מעודדת', הוסיף.
קהילת מחקר האסטרונומיה הרחבה יותר שמה לב לעבודת הצוות. כריסטופר מקי מהמחלקה לאסטרונומיה באוניברסיטת ברקלי וג'יימס סטון מהמכון למחקר מתקדם בפרינסטון, ניו ג'רזי, כתבו כתבת חדשות וצפיות ב- Nature Astronomy מדברים על המשמעות של המחקר הזה.
'היווצרות כוכבים היא בעלת חשיבות מרכזית באסטרופיזיקה', הם מסבירים. 'זה מוביל לא רק למגוון הכוכבים המגוון שנצפה ביקום, אלא גם (בעקיפין) להיווצרות כוכבי לכת וחורים שחורים, ליצירת היסודות הכבדים, להמרצת המדיום הבין-כוכבי והמדיום המעגלי באמצעות משוב מ- קרינה, רוחות וסופרנובות, ואפילו התפתחות הגלקסיות'.
תמונת האבל פנורמית של ערפילית קארינה המציגה את ההשפעות הסוערות של רוחות הכוכבים וקרינה מייננת מכוכבים מסיביים על הענן המולקולרי שממנו נולדו הכוכבים. קרדיט תמונה: NASA / ESA / N. Smith (אוניברסיטת קליפורניה, ברקלי) / צוות מורשת האבל (STScI/AURA).
בגלל טווח הזמן הכרוך ביצירת עננים מולקולריים וכוכבים, לא ניתן לחקור אותו באופן תצפיתי. ניתן לטפל בזה רק באמצעות סימולציות, ולאחר מכן ניתן להשוות את התוצאות של אותן סימולציות לתצפיות, כמו במחקר החדש הזה. 'המבנה המורכב והלא ליניארי של מערבולות על-קולית הופך ניסויים מספריים לחיוניים להבנת הפיזיקה של היווצרות כוכבים', כותבים בני הזוג במאמרם.
ופדררת' ועמיתיו ביצעו את הסימולציה הקפדנית והמפורטת ביותר עד כה. התקדמות מהירה בכוח המחשוב אפשרה סימולציות מסוג זה, וכפי שמקי וסטון מציינים, מחשב העל המשמש בסימולציה זו כבר עלה בכוחו.
עבור מדענים החוקרים את הבעיה, הפיתוח של מחשבים חזקים ותוכנות חזקות באותה מידה דוחפים את גבולות ההבנה. 'בארצות הברית וגם באירופה, מתכננים לייצר מה שנקרא מערכות exascale (המסוגלות ל-1018הוכרזו חישובי נקודה צפה לשנייה, בערך פי עשרה ממחשבי העל הנוכחיים) הזמינים בשנים הקרובות', כותבים מקי וסטון. 'למרות שזה יהיה אתגר גדול לפתח תוכנה מדעית שיכולה לנצל את מלוא היתרונות של מערכות כאלה, עתידן של גישות חישוביות לחקירת מגוון רחב של בעיות באסטרופיזיקה, כולל היווצרות כוכבים, נותר בהיר מאוד'.
יותר:
- ידיעה לתקשורת: הדמיית טורבולנציה של מדיום בין-כוכבי שוברת שיאים
- מחקר חדש: קנה המידה הקולי של מערבולות בין-כוכביות
- חדשות וצפיות: סערה בשמיים
- היקום היום: אסטרונומים ממפים את חומר הגלם להיווצרות כוכבים חדשים בשביל החלב