شريحة من خلال محاكاة ثلاثية الأبعاد لكتلة مضطربة من الهيدروجين الجزيئي. حقوق الصورة: Mark Krumholz. اضغط للتكبير
قام علماء الفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، ومختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) بتفجير إحدى النظريتين المتنافستين حول كيفية تشكل النجوم داخل السحب الهائلة من الغاز بين النجوم.
يتنبأ هذا النموذج ، الذي يقل عمره عن 10 سنوات ويؤيده بعض علماء الفلك البريطانيين ، بأن غيوم الهيدروجين بين النجوم تتطور كتلًا تتشكل فيها عدة نوى صغيرة - بذور نجوم المستقبل -. هذه النوى ، التي تقل مدتها عن سنة ضوئية ، تنهار تحت جاذبيتها وتتنافس على الغاز في الكتلة المحيطة ، وكسبها في الغالب 10 إلى 100 ضعف كتلتها الأصلية من الكتلة.
النموذج البديل ، الذي غالبًا ما يطلق عليه نظرية "انهيار الجاذبية والتجزئة" ، يفترض أيضًا أن الغيوم تطور كتلًا تتشكل فيها النوى الأولية النجمية. لكن في هذه النظرية ، النوى كبيرة ، وعلى الرغم من أنها قد تنقسم إلى قطع أصغر لتشكيل أنظمة ثنائية أو متعددة النجوم ، إلا أنها تحتوي على كل الكتلة تقريبًا.
"في التراكم التنافسي ، النوى هي بذور تنمو لتصبح نجومًا ؛ وأوضح كريس ماكي ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، أن صورنا تتحول النوى في صورتنا إلى نجوم. "الملاحظات حتى الآن ، والتي تركز في المقام الأول على مناطق تكوين النجوم ذات الكتلة المنخفضة ، مثل الشمس ، تتسق مع نموذجنا ولا تتسق مع نماذجهم".
أضاف ريتشارد كلاين ، أستاذ مساعد في علم الفلك بجامعة كاليفورنيا في بيركلي وباحث في LLNL ، "التراكم التنافسي هو النظرية الكبرى لتكوين النجوم في أوروبا ، ونعتقد الآن أنها نظرية ميتة".
مارك ر. كرومهولز ، وهو الآن زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة برينستون ، قدم ماكي وكلين نتائجهم في عدد 17 نوفمبر من مجلة Nature.
تحاول كلتا النظريتين شرح كيفية تشكل النجوم في السحب الباردة للهيدروجين الجزيئي ، ربما عبر 100 سنة ضوئية وتحتوي على 100000 ضعف كتلة شمسنا. تم تصوير هذه الغيوم بألوان رائعة بواسطة مقاريب الفضاء هابل وسبيتزر ، ولكن ديناميكيات انهيار السحابة إلى نجمة واحدة أو أكثر بعيدة عن الوضوح. قال ماكي إن نظرية تكوين النجوم مهمة لفهم كيفية تشكل المجرات وعناقيد المجرات.
"تشكل النجوم مشكلة غنية جدًا ، تتضمن أسئلة مثل كيفية تشكل النجوم مثل الشمس ، ولماذا يوجد عدد كبير جدًا من النجوم في أنظمة النجوم الثنائية ، وكيف تتكون النجوم من عشرة إلى مائة مرة كتلة الشمس" قال. "النجوم الأكثر ضخامة مهمة لأنها ، عندما تنفجر في مستعر أعظم ، فإنها تنتج معظم العناصر الثقيلة التي نراها في المواد من حولنا."
تم تفكيك نموذج التراكم التنافسي في أواخر التسعينات استجابةً لمشاكل نموذج الانهيار الثقالي ، الذي بدا أنه يواجه مشكلة في تفسير كيفية تشكل النجوم الكبيرة. على وجه الخصوص ، لم تستطع النظرية أن تفسر سبب عدم إشعاع الإشعاع الشديد من بروتوستار كبير من الطبقات الخارجية للنجم ومنعه من النمو بشكل أكبر ، على الرغم من أن الفلكيين اكتشفوا نجومًا تزيد كتلتها عن الشمس بـ 100 مرة.
في حين أن المنظرين ، من بينهم McKee و Klein و Krumholz ، قد تقدموا بنظرية الانهيار الجاذبية أبعد نحو تفسير هذه المشكلة ، فإن نظرية التنافس التنافسي أصبحت تتعارض بشكل متزايد مع الملاحظات. على سبيل المثال ، تتنبأ نظرية التراكم بأن الأقزام البنية ، التي هي نجوم فاشلة ، تُطرد من التكتلات وتفقد أقراصها الغازية والغبار. في العام الماضي ، تم العثور على العديد من الأقزام البنية مع أقراص كوكبية.
قال كلاين: "تجاهل منظّرو التراكم التنافسي هذه الملاحظات". "إن الاختبار النهائي لأي نظرية هو مدى توافقها مع الملاحظة ، وهنا يبدو أن نظرية الانهيار الجاذبية هي الفائز الواضح."
النموذج المستخدم من قبل Krumholz و McKee و Klein هو محاكاة حاسوب عملاق لديناميكيات الغاز المعقدة داخل سحابة مضطربة من الهيدروجين الجزيئي أثناء تراكمها على نجم. هذه هي الدراسة الأولى لآثار الاضطراب على المعدل الذي يتراكم فيه النجم على المادة أثناء تحركها عبر سحابة غازية ، وتهدم نظرية "التراكم التنافسي".
باستخدام 256 معالجًا متوازيًا في مركز San Diego Supercomputer Center في UC San Diego ، قاموا بتشغيل نموذجهم لمدة أسبوعين تقريبًا لإظهار أنه يمثل ديناميكيات تكوين النجوم بدقة.
قال كلاين: "لمدة ستة أشهر ، عملنا على محاكاة عالية الدقة ومفصلة للغاية لتطوير هذه النظرية". "وبعد ذلك ، بوجود هذه النظرية في متناول اليد ، قمنا بتطبيقها على مناطق تشكيل النجوم مع الخصائص التي يمكن للمرء أن يستخلصها من منطقة تشكيل النجوم."
أظهرت النماذج ، التي تم تشغيلها أيضًا على أجهزة الكمبيوتر العملاقة في مختبر لورانس بيركلي الوطني و LLNL ، أن الاضطراب في القلب والكتلة المحيطة سيمنع التراكم من إضافة كتلة كبيرة إلى البروتوستار.
قال كلاين: "لقد أظهرنا أنه بسبب الاضطراب ، لا يمكن للنجم أن يتراكم بكفاءة أكبر من الكتلة المحيطة بها". "في نظريتنا ، بمجرد أن ينهار نواة وشظايا ، فإن هذا النجم لديه الكتلة الأساسية التي سيحصل عليها. إذا وُلدت في نواة منخفضة الكتلة ، فسوف ينتهي بها المطاف إلى أن تكون نجمة ذات كتلة منخفضة. إذا ولدت في قلب عالي الكتلة ، فقد تصبح نجمة ذات كتلة عالية ".
وأشار ماكي إلى أن محاكاة الكمبيوتر العملاق للباحثين تشير إلى أن التراكم التنافسي قد يعمل بشكل جيد مع السحب الصغيرة ذات الاضطراب القليل جدًا ، ولكن نادرًا ما يحدث ذلك ، إن حدث ، ولم يتم ملاحظته حتى الآن. مناطق تكوين النجوم الحقيقية لديها اضطراب أكثر بكثير مما هو مفترض في نموذج التراكم ، ولا يتحلل الاضطراب بسرعة ، كما يفترض هذا النموذج. بعض العمليات غير المعروفة ، ربما تتدفق المادة من البروستار ، تحافظ على الغازات منتفخة حتى لا ينهار القلب بسرعة.
"الاضطراب يعارض الجاذبية. من دونها ، ستنهار سحابة جزيئية بسرعة أكبر بكثير مما لوحظت ”. "تفترض النظريتان أن الاضطراب موجود. المفتاح هو (أن) هناك عمليات جارية حيث تبدأ النجوم بالتشكل التي تبقي الاضطراب على قيد الحياة وتمنعه من الانحلال. ليس لدى نموذج التراكم التنافسي أي طريقة لوضع هذا في الحسابات ، مما يعني أنهم لا يقومون بصياغة مناطق تشكيل النجوم الحقيقية ".
يواصل كلاين وماكي وكرومهولز تحسين نموذجهم لشرح كيف يهرب الإشعاع من البروتوستار الكبير دون تفجير كل الغاز المتعثر. على سبيل المثال ، أظهروا أن بعض الإشعاع يمكن أن يهرب من خلال التجاويف التي تم إنشاؤها بواسطة الطائرات المرصودة للخروج من أقطاب العديد من النجوم في التكوين. وقال مكي إن العديد من تنبؤات النظرية قد يتم الرد عليها من خلال مقاريب جديدة وأكبر قيد الإنشاء حاليًا ، ولا سيما منظار ALMA الحساس عالي الدقة الذي يتم إنشاؤه في شيلي من قبل اتحاد من الفلكيين الأمريكيين والأوروبيين واليابانيين.
تم دعم العمل من قبل الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء ومؤسسة العلوم الوطنية ووزارة الطاقة.
المصدر الأصلي: UC Berkeley News Release
