(Northwestern University/UT Austin) Die Geburt eines Sterns ist eine wilde und großartige Sache.
Es ist auch bedeutsam, da es sich über Millionen von Jahren in dichten, kalten Wolken aus molekularem Gas und Staub abspielt, in denen sich Sternhaufen bilden. Es ist kein Prozess, den wir jemals von Anfang bis Ende beobachten können – aber eine absolut spektakuläre Simulation bringt uns näher als je zuvor.
Es heißt STARFORGE ( Sternentstehung in gasförmigen Umgebungen ), und damit konnten Astronomen zum ersten Mal eine ganze Molekülwolke entstehender Sterne simulieren, eine Region, die als Sternkinderstube bekannt ist, und das alles in herrlicher dreidimensionaler hoher Auflösung.
Dies wird Astronomen dabei helfen können, die Sternentstehung detaillierter zu untersuchen und sie mit echten Protosternen (noch nicht ausgewachsenen Sternen) in verschiedenen Entstehungsstadien zu vergleichen, um die Abläufe im Spiel zu verstehen.
„Wie Sterne entstehen, ist eine zentrale Frage der Astrophysik.“ sagte der Astrophysiker Claude-André Faucher-Giguère der Northwestern University.
„Die Untersuchung dieser Frage war aufgrund der Vielfalt der beteiligten physikalischen Prozesse sehr schwierig.“ „Diese neue Simulation wird uns helfen, grundlegende Fragen direkt anzugehen, die wir vorher nicht definitiv beantworten konnten.“
Wir glauben, dass wir die großen Abläufe der Sternentstehung im Griff haben. Zunächst beginnt man mit einem Klumpen molekularen Gases, der normalerweise in einer Wolke des Stoffes zu finden ist. Bei ausreichender Dichte kollabiert der Klumpen unter seiner eigenen Schwerkraft und bildet einen Protostern, der zu rotieren beginnt.
Diese Drehung führt dazu, dass das Material in der ihn umgebenden Wolke eine Scheibe bildet, die sich wie Wasser in einem Abfluss in den wachsenden Stern hineinwälzt und unaufhaltsam von der zunehmenden Anziehungskraft des Sterns angezogen wird.
Wenn der Stern genügend Masse zunimmt, herrschen im Kern genügend Hitze und Druck, um zu zünden Kernfusion , wobei Wasserstoffatome zu Helium verschmelzen. Das übrig gebliebene Material in der Scheibe bildet Planeten, Asteroiden und all den anderen Müll.
Allerdings geschieht dies alles in einer dichten Wolke, was bedeutet, dass es für uns schwierig ist, einen Blick darauf zu werfen. Und weil es sich über Millionen von Jahren abspielt, ist jeder einzelne Protostern, den wir beobachten, nur eine einzige Momentaufnahme eines viel längeren, größeren und sehr komplizierten Ereignisses.
Um STARFORGE zu bauen, musste ein Team von Astronomen unter der Leitung von Michael Grudić von der Northwestern University mehrere physikalische Phänomene berücksichtigen, darunter Temperaturen, Schwerkraft, Magnetfelder, Gasdynamik und die bekannten starken Sternwinde und Plasmastrahlen, die von Babysternen ausgehen als hervorragendes Feedback .
Sie führten ihre Simulationen auf einem der leistungsstärksten Supercomputer der Welt durch, dem der University of Texas Grenze , für fast 100 Tage. Das Ergebnis, das in einem Video zu sehen ist, ist wirklich wunderschön – eine ganze Sterngärtnerei und die Entstehung der darin enthaltenen Sterne von Anfang bis Ende.
„Seit ein paar Jahrzehnten simulieren Menschen die Sternentstehung, aber STARFORGE ist ein Quantensprung in der Technologie.“ Sagte Grudić .
„Andere Modelle konnten nur einen winzigen Teil der Wolke simulieren, in dem Sterne entstehen – nicht die gesamte Wolke in hoher Auflösung.“ „Ohne das Gesamtbild zu sehen, übersehen wir viele Faktoren, die das Ergebnis des Sterns beeinflussen könnten.“
Die simulierte Wolke im Video, ein riesiges Objekt mit 20.000-facher Masse als die Sonne, hängt zunächst einfach im Weltraum. Im Laufe der Zeit wird das Gas durch Kräfte wie interstellare Winde und andere verschoben Stoßwellen , die Regionen höherer Dichte erzeugen, die durch Gravitation zu Protosternen kollabieren können. Ein zweites Video simuliert eine Wolke mit 200.000 Sonnenmassen.
Wenn sich ein Stern bildet und wächst, beginnt er, einen starken Sternwind zu erzeugen. Darüber hinaus beginnt in den Stern fallendes Material mit den Magnetfeldern des Sterns zu interagieren; Ein Teil davon wird abgesaugt und fließt entlang magnetischer Feldlinien zu den Polen, wo es in Form starker Plasmastrahlen in den Weltraum geschleudert wird.
Beide Formen der Rückkopplung drücken das umgebende Gas weg, wodurch der Materialfluss unterbrochen wird und der Stern nicht weiter wachsen kann.
Aktuelle Forschung , basierend auf Beobachtungsdaten, deutete darauf hin, dass die Sternrückkopplung möglicherweise keine so große Rolle bei der Bestimmung der Masse eines Sterns spielt, wie wir dachten.
Aber die Forschung des Teams zeigte das Gegenteil . Als sie die Simulation ohne Jets durchführten, kamen sie am Ende zu viel, viel größeren Sternen. Mit den mitgelieferten Düsen hatten die Sterne letztendlich eine normalere Größe.
„Jets stören den Gasfluss zum Stern“ Grudić erklärte .
„Sie blasen im Wesentlichen Gas weg, das im Stern gelandet wäre, und vergrößerten dessen Masse.“ „Die Leute haben vermutet, dass dies passieren könnte, aber durch die Simulation des gesamten Systems haben wir ein solides Verständnis davon, wie es funktioniert.“
Dies zeigt auch wunderbar das Potenzial von STARFORGE. Indem sie mit einem Szenario beginnen, das dem realen Universum so nahe wie möglich kommt, können Astronomen die vielen verschiedenen physikalischen Prozesse erforschen, die in den Sternentstehungsgebieten ablaufen.
Das Ein- und Ausschalten dieser Prozesse kann dabei helfen, herauszufinden, welche eine wichtige Rolle spielen, und könnte dabei helfen, entscheidende Fragen über das Universum zu beantworten.
Die Forschung wurde im veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society .