От облаков до компьютерной симуляции: как рождаются звезды?

Много ли мы знаем о том, как формируются звезды? И какими были самые первые светила, образовавшиеся вскоре после рождения Вселенной? Исследователи надеются, что новый космический телескоп Джеймса Веба позволит получить ответы на многие вопросы, но первые снимки мир увидит не раньше июля. И все же, кое-что мы знаем точно, например, как заканчивается жизнь сверхновых звезд. Их взрывы ускоряют космический круговорот рождения и распада материи. И служат фабрикой химических элементов, из которых состоит мир вокруг нас. Чтобы разобраться в непростой звездной эволюции, ученые создают компьютерные модели, учитывающие множество разных факторов одновременно. Недавно астрономы из обсерватории Карнеги в Калифорнии пришли к интересному выводу – формирование некоторых звезд может занимать больше времени, чем считалось ранее. Но почему и какой вывод из этого следует? Попробуем разобраться.

Наблюдаем за лучшей в истории симуляцией звезд, рождающихся в космическом облаке

Облака из звездной пыли

Считается, что для рождения звезд нужны газ, пыль и гравитация. Невооруженным взглядом мы видим лишь свечение Млечного Пути – совокупный свет миллиардов звезд на диске нашей Галактики. Благодаря оптическим и радионаблюдениям мы знаем, что во Вселенной много газа, а звездная пыль распространена повсеместно. Эта пыль состоит из микроскопических минеральных элементов, таких как кремний, магний, железо и других металлов, а также углерода в его различных формах.

И хотя межзвездная пыль может рассеиваться тонким слоем, она образует плотные облака, которые удерживают тепло, исходящее от близлежащих звезд. Благодаря радионаблюдению мы знаем, что эти облака заполнены молекулами в том числе и неизвестными нам, так как их просто нет на Земле. А вот в космосе места предостаточно.

Крабовидная туманность

Когда же звезда подходит к концу своего пути и взрывается, происходит столкновение газопылевых облаков, превращающее их в турбулентные скопления, внутри которых образуются новые звезды. Так, настоящими экспонатами являются газообразные, пылевые и диффузные туманности. Они возникают там, где межзвездные облака находятся в непосредственной близости от горячих звезд с температурой более 26 000 Кельвинов или около того.

Ультрафиолетовое излучение, испускаемое светилами, может разрушать молекулы, что заставляет межзвездный газ светиться. Глубоко внутри остатка сверхновой Крабовидной туманности (M1) находится ее бьющееся сердце: пульсар, оставшийся после того, как его массивная звезда-прародительница наконец прекратила ядерный синтез и погибла.

Эти скопления медленно испаряются, а их составляющие со временем рассеиваются. Исследователи полагают, что наше Солнце, возможно, родилось в одном из таких скоплений. Кроме того, большая часть этого действия происходит внутри больших темных облаков и невидима до тех пор, пока звездное излучение и ветры не рассеют родительские пылевые облака.

Молекулярные облака также называют звездной колыбелью (в случае, если в нем рождаются звезды)

Интересный факт
Когда новая протозвезда сжимается под действием силы тяжести, ее ядро нагревается. В конце концов температура становится достаточно высокой, чтобы инициировать ядерные реакции, в которых четыре атома водорода превращаются в следующий более тяжелый атом, гелий с небольшой потерей массы (m). Следовательно, энергия (E) создается в соответствии со знаменитым соотношением Эйнштейна E= mc2 (c – скорость света).

Удивительно, но множество звезд часто образуется примерно в одно и то же время, а их взаимная гравитация связывает их в открытое скопление с большим диапазоном масс, такое как Плеяды (M45) или Улей (M44). Со временем эти скопления возрастом более 600 миллионов лет начнут медленно удаляться друг от друга.

Звезды и компьютерные модели

Хотя основной процесс звездообразования хорошо изучен, вопросов по-прежнему много. В попытках получить больше информации, ученые обращаются за помощью к компьютерным моделям гигантских молекулярных облаков (GMCS). А полученные данные намекают, что нам, возможно, придется пересмотреть наше понимание формирования звезд.

Облака – их еще называют звездными питомниками – содержат в основном молекулы водорода. Их масса по меньшей мере в 10 000 раз превышает массу нашего Солнца, а диаметр составляет от 15 до 650 световых лет.

Внутри таких облаков молекулы водорода начинают собираться вместе. А когда скопления достигают определенной плотности, запускается процесс формирования звезд. Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature, запустили одну из передовых симуляций гигантских молекулярных облаков.

Ничто не вечно во Вселенной, даже звезды

Их компьютерная модель отслеживает 9 миллионов лет эволюции в звездном питомнике – гигантском молекулярном облаке, в котором рождаются звезды.

Разработанная симуляция учитывает основные физические механизмы обратной связи, такие как звездные ветры, магнитные поля и гравитация. Точкой отсчета является облако, начальная масса которого в 20 000 раз превышает массу нашего Солнца, а диаметр составляет 65 световых лет. По мере продвижения моделирования формируются более яркие и массивные звезды, масса которых более чем в 10 раз превышает массу нашего Солнца.

Жизнь и смерть на просторах Вселенной

Моделирование продолжалось около 9 миллионов лет и подошло к концу вскоре после того, как одна из первых звезд, образованных облаком, вспыхнула сверхновой. За это время образовалось примерно 1000 новых звезд. Авторы работы пришли к выводу, что для полноценного формирования звездам могут потребоваться от 1 до 3 миллионов лет, то есть значительно дольше, чем считалось ранее.

Звездообразование – дело сложное. Оно включает в себя множество различных процессов, действующих вместе. Наша задача заключается в том, чтобы соединить все различные ингредиенты и получить результат, который действительно похож на реальность, – пишут исследователи.

Новые звезды рождаются благодаря смерти сверхновых. Во Вселенной все взаимосвязно

В дальнейшем разработанную модель можно использовать для детального изучения звездной эволюции. Например, для отслеживания звезды во времени, чтобы увидеть, откуда изначально взялась ее масса. Изменяя ограничения, исследователи могут составить более точную картину того, какие физические механизмы наиболее важны в звездообразовании.

Внимательно посмотрев симуляцию, мы увидим огромное облако космического газа — примерно 20 парсеков или 65 световых лет в поперечнике — которое коллапсирует, образуя новые звезды. Белые участки указывают на более плотные области газа, включая молодые звезды.

Турбулентность внутри облака создает плотные очаги, которые разрушаются, образуя новые светила. Затем эти звезды испускают излучение и звездные ветры, взрываясь сверхновыми. В конце концов, эти явления сдувают последние остатки облака и оставляют после себя целый сад молодых звезд.

Сам процесс занимает миллионы лет — или месяцы вычислительного времени, если дело касается компьютерных моделей.

Рождение звезд связано с их смертью – они взорвались чтобы сегодня вы читали эту статью. Самая что ни на есть поэзия науки, согласны? Звезды умерли ради нас и это не просто слова.

Опубликовано на сайте: 2022-01-23