Ein Schnitt durch eine 3-D-Simulation eines turbulenten Klumpens von molekularem Wasserstoff. Bildnachweis: Mark Krumholz. klicken um zu vergrößern
Astrophysiker an der University of California in Berkeley und am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben eine von zwei konkurrierenden Theorien darüber explodiert, wie sich Sterne in riesigen interstellaren Gaswolken bilden.
Dieses Modell, das weniger als 10 Jahre alt ist und von einigen britischen Astronomen verfochten wird, sagt voraus, dass interstellare Wasserstoffwolken Klumpen bilden, in denen sich mehrere kleine Kerne - die Samen zukünftiger Sterne - bilden. Diese Kerne mit einem Durchmesser von weniger als einem Lichtjahr kollabieren unter ihrer eigenen Schwerkraft und konkurrieren im umgebenden Klumpen um Gas, wobei sie häufig das 10- bis 100-fache ihrer ursprünglichen Masse aus dem Klumpen gewinnen.
Das alternative Modell, das oft als "Gravitationskollaps und Fragmentierungstheorie" bezeichnet wird, geht auch davon aus, dass Wolken Klumpen entwickeln, in denen sich protosternare Kerne bilden. Aber in dieser Theorie sind die Kerne groß und enthalten, obwohl sie in kleinere Stücke fragmentiert werden können, um binäre oder Mehrsternsysteme zu bilden, fast die gesamte Masse, die sie jemals haben werden.
„Im Wettbewerb sind die Kerne Samen, die zu Sternen wachsen. In unserem Bild verwandeln sich die Kerne in Sterne “, erklärte Chris McKee, Professor für Physik und Astronomie an der UC Berkeley. "Die bisherigen Beobachtungen, die sich hauptsächlich auf Regionen mit massearmer Sternentstehung wie die Sonne konzentrieren, stimmen mit unserem Modell überein und stimmen nicht mit ihrem überein."
"Wettbewerbsakkretion ist die große Theorie der Sternentstehung in Europa, und wir denken jetzt, dass es eine tote Theorie ist", fügte Richard Klein hinzu, außerordentlicher Professor für Astronomie an der UC Berkeley und Forscher am LLNL.
Mark R. Krumholz, jetzt Postdoktorand an der Princeton University, McKee und Klein berichten über ihre Ergebnisse in der Nature-Ausgabe vom 17. November.
Beide Theorien versuchen zu erklären, wie sich Sterne in kalten Wolken aus molekularem Wasserstoff bilden, die vielleicht 100 Lichtjahre breit sind und die 100.000-fache Masse unserer Sonne enthalten. Solche Wolken wurden von den Hubble- und Spitzer-Weltraumteleskopen in brillanten Farben fotografiert, doch die Dynamik des Zusammenbruchs einer Wolke in einen oder mehrere Sterne ist alles andere als klar. Eine Theorie der Sternentstehung ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich Galaxien und Galaxienhaufen bilden, sagte McKee.
"Die Sternentstehung ist ein sehr umfangreiches Problem, das Fragen wie die Entstehung von Sternen wie der Sonne, die Frage, warum sich eine sehr große Anzahl von Sternen in binären Sternensystemen befindet und wie sich zehn- bis hundertfach die Masse der Sonne bildet, mit sich bringt", sagte er sagte. "Die massereicheren Sterne sind wichtig, weil sie, wenn sie in einer Supernova explodieren, die meisten schweren Elemente produzieren, die wir in dem Material um uns herum sehen."
Das kompetitive Akkretionsmodell wurde Ende der neunziger Jahre als Reaktion auf Probleme mit dem Gravitationskollapsmodell entwickelt, bei dem es anscheinend schwierig war zu erklären, wie sich große Sterne bilden. Insbesondere konnte die Theorie nicht erklären, warum die intensive Strahlung eines großen Protostars nicht nur die äußeren Schichten des Sterns abbläst und verhindert, dass er größer wird, obwohl Astronomen Sterne entdeckt haben, die die 100-fache Sonnenmasse haben.
Während Theoretiker, darunter McKee, Klein und Krumholz, die Gravitationskollaps-Theorie weiter vorangetrieben haben, um dieses Problem zu erklären, ist die Theorie der Wettbewerbsakkretion zunehmend in Konflikt mit Beobachtungen geraten. Zum Beispiel sagt die Akkretionstheorie voraus, dass Braune Zwerge, die gescheiterte Sterne sind, aus Klumpen geworfen werden und ihre umgebenden Gas- und Staubscheiben verlieren. Im vergangenen Jahr wurden jedoch zahlreiche Braune Zwerge mit Planetenscheiben gefunden.
"Theoretiker der Wettbewerbsakkretion haben diese Beobachtungen ignoriert", sagte Klein. "Der ultimative Test jeder Theorie ist, wie gut sie mit der Beobachtung übereinstimmt, und hier scheint die Gravitationskollaps-Theorie der klare Gewinner zu sein."
Das von Krumholz, McKee und Klein verwendete Modell ist eine Supercomputersimulation der komplizierten Dynamik von Gas in einer wirbelnden, turbulenten Wolke aus molekularem Wasserstoff, die sich auf einem Stern ansammelt. Ihre Studie ist die erste, die die Auswirkungen von Turbulenzen auf die Geschwindigkeit untersucht, mit der ein Stern Materie anreichert, wenn er sich durch eine Gaswolke bewegt, und sie zerstört die Theorie der „Wettbewerbsakkretion“.
Mit 256 Parallelprozessoren im San Diego Supercomputer Center an der UC San Diego liefen sie ihr Modell fast zwei Wochen lang, um zu zeigen, dass es die Dynamik der Sternentstehung genau wiedergibt.
"Sechs Monate lang haben wir an sehr, sehr detaillierten, hochauflösenden Simulationen gearbeitet, um diese Theorie zu entwickeln", sagte Klein. "Mit dieser Theorie haben wir sie dann auf sternbildende Regionen mit den Eigenschaften angewendet, die man aus einer sternbildenden Region gewinnen kann."
Die Modelle, die auch auf Supercomputern des Lawrence Berkeley National Laboratory und des LLNL betrieben wurden, zeigten, dass Turbulenzen im Kern und im umgebenden Klumpen verhindern würden, dass die Akkretion einem Protostern viel Masse hinzufügt.
"Wir haben gezeigt, dass ein Stern aufgrund von Turbulenzen nicht viel mehr Masse aus dem umgebenden Klumpen effizient ansammeln kann", sagte Klein. „In unserer Theorie hat dieser Stern, sobald ein Kern zusammenbricht und fragmentiert, im Grunde die Masse, die er jemals haben wird. Wenn es in einem massearmen Kern geboren wurde, wird es ein massearmer Stern. Wenn es in einem Kern mit hoher Masse geboren wird, kann es zu einem Stern mit hoher Masse werden. "
McKee bemerkte, dass die Supercomputersimulation der Forscher darauf hinweist, dass die Wettbewerbsakkretion bei kleinen Wolken mit sehr geringen Turbulenzen gut funktioniert, diese jedoch selten, wenn überhaupt, auftreten und bisher nicht beobachtet wurden. Reale Sternentstehungsregionen weisen viel mehr Turbulenzen auf als im Akkretionsmodell angenommen, und die Turbulenzen nehmen nicht schnell ab, wie dieses Modell voraussetzt. Einige unbekannte Prozesse, möglicherweise Materie, die aus Protosternen austritt, halten die Gase aufgewühlt, so dass der Kern nicht schnell zusammenbricht.
„Turbulenzen wirken der Schwerkraft entgegen. Ohne sie würde eine Molekülwolke viel schneller zusammenbrechen als beobachtet “, sagte Klein. „Beide Theorien gehen davon aus, dass Turbulenzen vorhanden sind. Der Schlüssel ist, dass es Prozesse gibt, in denen sich Sterne bilden, die Turbulenzen am Leben erhalten und verhindern, dass sie verfallen. Das Wettbewerbsakkretionsmodell hat keine Möglichkeit, dies in die Berechnungen einzubeziehen, was bedeutet, dass sie keine echten Sternentstehungsregionen modellieren. "
Klein, McKee und Krumholz verfeinern ihr Modell weiter, um zu erklären, wie Strahlung von großen Protosternen entweicht, ohne das gesamte einfallende Gas wegzublasen. Zum Beispiel haben sie gezeigt, dass ein Teil der Strahlung durch Hohlräume entweichen kann, die von den Jets erzeugt werden, die beobachtet werden, dass sie aus den Polen vieler Sterne in Formation austreten. Viele Vorhersagen der Theorie könnten von neuen und größeren Teleskopen beantwortet werden, die sich derzeit im Bau befinden, insbesondere das empfindliche, hochauflösende ALMA-Teleskop, das in Chile von einem Konsortium aus US-amerikanischen, europäischen und japanischen Astronomen gebaut wird, sagte McKee.
Die Arbeit wurde von der National Aeronautics and Space Administration, der National Science Foundation und dem Department of Energy unterstützt.
Originalquelle: UC Berkeley Pressemitteilung
