Een plak door een 3D-simulatie van een turbulente klomp moleculaire waterstof. Afbeelding tegoed: Mark Krumholz. Klik om te vergroten
Astrofysici van de University of California, Berkeley en Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een van de twee concurrerende theorieën ontploft over hoe sterren zich vormen in immense wolken van interstellair gas.
Dat model, dat minder dan 10 jaar oud is en door sommige Britse astronomen wordt verdedigd, voorspelt dat interstellaire waterstofwolken klonten ontwikkelen waarin verschillende kleine kernen - de zaden van toekomstige sterren - ontstaan. Deze kernen, minder dan een lichtjaar in doorsnee, storten in onder hun eigen zwaartekracht en strijden om gas in de omringende klomp, waarbij ze vaak 10 tot 100 keer hun oorspronkelijke massa uit de klomp winnen.
Het alternatieve model, vaak de theorie van de 'gravitatie-ineenstorting en fragmentatie' genoemd, veronderstelt ook dat wolken klonten ontwikkelen waarin zich proto-stellaire kernen vormen. Maar in deze theorie zijn de kernen groot en bevatten ze, hoewel ze in kleinere stukken kunnen fragmenteren om binaire of meervoudige stersystemen te vormen, bijna alle massa die ze ooit zullen hebben.
“In competitieve groei zijn de kernen zaden die uitgroeien tot sterren; op onze foto veranderen de kernen in de sterren ”, legt Chris McKee uit, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan UC Berkeley. "De waarnemingen tot nu toe, die voornamelijk gericht zijn op gebieden met een laag-massieve stervorming, zoals de zon, komen overeen met ons model en zijn niet consistent met die van hen."
"Competitieve aanwas is de grote theorie van stervorming in Europa, en we denken nu dat het een dode theorie is", voegde Richard Klein toe, een adjunct-professor in de astronomie aan UC Berkeley en een onderzoeker aan LLNL.
Mark R. Krumholz, nu postdoctoraal onderzoeker aan de Princeton University, McKee en Klein rapporteren hun bevindingen in het nummer van 17 november van Nature.
Beide theorieën proberen uit te leggen hoe sterren zich vormen in koude wolken van moleculaire waterstof, misschien 100 lichtjaar in doorsnee en met 100.000 keer de massa van onze zon. Dergelijke wolken zijn in schitterende kleuren gefotografeerd door de Hubble- en Spitzer-ruimtetelescopen, maar de dynamiek van het instorten van een wolk in een of meer sterren is verre van duidelijk. Een theorie over stervorming is van cruciaal belang om te begrijpen hoe sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels ontstaan, zei McKee.
"Stervorming is een zeer rijk probleem, met vragen als hoe sterren zoals de zon zijn gevormd, waarom een zeer groot aantal sterren zich in dubbelstersystemen bevindt, en hoe sterren tien tot honderd keer de massa van de zon vormen," zei hij zei. "De zwaardere sterren zijn belangrijk omdat ze, wanneer ze exploderen in een supernova, de meeste zware elementen produceren die we in het materiaal om ons heen zien."
Het competitieve accretiemodel werd eind jaren negentig uitgebroed als reactie op problemen met het gravitationele ineenstortingsmodel, dat moeite leek te hebben om uit te leggen hoe grote sterren zich vormen. In het bijzonder kon de theorie niet verklaren waarom de intense straling van een grote protoster niet alleen de buitenste lagen van de ster afblaast en verhindert dat deze groter wordt, ook al hebben astronomen sterren ontdekt die 100 keer de massa van de zon zijn.
Terwijl theoretici, waaronder McKee, Klein en Krumholz, de theorie van de zwaartekracht-ineenstorting verder hebben gebracht om dit probleem te verklaren, is de theorie van de competitieve accretie steeds meer in conflict gekomen met waarnemingen. De accretietheorie voorspelt bijvoorbeeld dat bruine dwergen, die mislukte sterren zijn, uit bosjes worden gegooid en hun omringende schijven van gas en stof verliezen. Het afgelopen jaar zijn er echter talloze bruine dwergen gevonden met planetaire schijven.
"Theoretici over concurrerende accretie hebben deze waarnemingen genegeerd," zei Klein. "De ultieme test van elke theorie is hoe goed deze overeenkomt met waarneming, en hier lijkt de theorie van de zwaartekrachtinsvouwing de duidelijke winnaar."
Het door Krumholz, McKee en Klein gebruikte model is een supercomputersimulatie van de gecompliceerde dynamiek van gas in een wervelende, turbulente wolk van moleculaire waterstof terwijl het op een ster aangroeit. Het is hun eerste studie van de effecten van turbulentie op de snelheid waarmee een ster materie oproept terwijl deze door een gaswolk beweegt, en het vernietigt de theorie van de 'competitieve aanwas'.
Met 256 parallelle processors in het San Diego Supercomputer Center in UC San Diego, hebben ze hun model bijna twee weken lang gebruikt om te laten zien dat het de stervormingsdynamiek nauwkeurig weergeeft.
"Zes maanden hebben we gewerkt aan zeer, zeer gedetailleerde simulaties met een hoge resolutie om die theorie te ontwikkelen", aldus Klein. "Vervolgens, met die theorie in de hand, pasten we die toe op stervormingsgebieden met de eigenschappen die men zou kunnen opdoen uit een stervormingsgebied."
De modellen, die ook op supercomputers van het Lawrence Berkeley National Laboratory en LLNL werden uitgevoerd, toonden aan dat turbulentie in de kern en de omliggende massa de aangroei van een protoster door accretie zou verhinderen.
"We hebben aangetoond dat een ster door turbulentie niet efficiënt veel meer massa van de omringende massa kan opnemen", aldus Klein. “In onze theorie heeft die ster, zodra een kern instort en fragmenteert, in feite alle massa die hij ooit zal hebben. Als het werd geboren in een kern met een lage massa, zal het uiteindelijk een ster met een lage massa worden. Als het wordt geboren in een kern met een hoge massa, kan het een ster met een hoge massa worden. "
McKee merkte op dat de supercomputersimulatie van de onderzoekers aangeeft dat competitieve accretie goed kan werken voor kleine wolken met zeer weinig turbulentie, maar deze komen zelden of nooit voor en zijn tot nu toe niet waargenomen. Echte stervormingsgebieden hebben veel meer turbulentie dan in het accretiemodel wordt aangenomen, en de turbulentie vervalt niet snel, zoals dat model veronderstelt. Sommige onbekende processen, misschien materie die uit protosterren stroomt, zorgen ervoor dat de gassen blijven branden, zodat de kern niet snel instort.
“Turbulentie verzet zich tegen de zwaartekracht; zonder dat zou een moleculaire wolk veel sneller instorten dan wordt waargenomen, 'zei Klein. 'Beide theorieën gaan ervan uit dat er turbulentie is. De sleutel is (dat) er processen gaande zijn terwijl sterren beginnen te vormen die turbulentie levend houden en voorkomen dat deze vergaat. Het competitieve accretiemodel kan dit op geen enkele manier in de berekeningen verwerken, wat betekent dat ze geen echte stervormingsregio's modelleren. "
Klein, McKee en Krumholz gaan door met het verfijnen van hun model om uit te leggen hoe straling van grote protosterren ontsnapt zonder al het vallende gas weg te blazen. Ze hebben bijvoorbeeld aangetoond dat een deel van de straling kan ontsnappen door holtes die zijn gecreëerd door de stralen die zijn waargenomen en die uit de polen van veel sterren in formatie komen. Veel voorspellingen van de theorie kunnen worden beantwoord door nieuwe en grotere telescopen die nu in aanbouw zijn, met name de gevoelige ALMA-telescoop met hoge resolutie die in Chili wordt gebouwd door een consortium van Amerikaanse, Europese en Japanse astronomen, zei McKee.
Het werk werd ondersteund door de National Aeronautics and Space Administration, de National Science Foundation en het Department of Energy.
Oorspronkelijke bron: UC Berkeley News Release
