ชิ้นหนึ่งผ่านการจำลอง 3 มิติของกอโมเลกุลของไฮโดรเจนที่ปั่นป่วน เครดิตภาพ: Mark Krumholz คลิกเพื่อดูภาพขยาย
นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์และลอเรนซ์ลิเวอร์มอร์ (LLNL) ได้ทดลองระเบิดทฤษฎีการแข่งขันหนึ่งในสองเรื่องเกี่ยวกับวิธีที่ดาวก่อตัวในก้อนเมฆก๊าซระหว่างดวงดาว
แบบจำลองนี้ซึ่งมีอายุน้อยกว่า 10 ปีและได้รับการสนับสนุนจากนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษคาดการณ์ว่าเมฆไฮโดรเจนระหว่างดวงดาวจะก่อตัวเป็นกระจุกซึ่งมีแกนเล็ก ๆ หลายแห่งซึ่งเป็นเมล็ดของดาวฤกษ์ในอนาคต แกนเหล่านี้น้อยกว่าหนึ่งปีแสงยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเองและแข่งขันกับแก๊สในกอล้อมโดยรอบมักจะได้รับมวล 10 ถึง 100 เท่าของมวลดั้งเดิมจากกอ
แบบจำลองทางเลือกซึ่งมักเรียกว่าทฤษฎี“ การยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงและการกระจายตัว” ยังสันนิษฐานว่ากลุ่มเมฆพัฒนากลุ่มก้อนที่แกนโปรโต - ดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้น แต่ในทฤษฎีนี้แกนมีขนาดใหญ่และแม้ว่าพวกมันอาจแยกส่วนเป็นชิ้นเล็ก ๆ เพื่อก่อตัวเป็นระบบดาวคู่หรือหลายดาว แต่ก็มีมวลเกือบทั้งหมดเท่าที่พวกเขาเคยจะทำ
“ ในการเพิ่มการแข่งขันแกนคือเมล็ดที่เติบโตเป็นดาว ในภาพของเราแกนกลายเป็นดาว” คริสแม็คกี้ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของ UC Berkeley อธิบาย “ การสำรวจจนถึงปัจจุบันซึ่งมุ่งเน้นไปที่ภูมิภาคของการก่อตัวดาวฤกษ์มวลต่ำเช่นดวงอาทิตย์นั้นสอดคล้องกับแบบจำลองของเราและไม่สอดคล้องกับแบบจำลองของพวกมัน”
“ การเพิ่มการแข่งขันเป็นทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่ของการก่อตัวดาวในยุโรปและตอนนี้เราคิดว่ามันเป็นทฤษฎีที่ตายแล้ว” Richard Klein ศาสตราจารย์เสริมด้านดาราศาสตร์ที่ UC Berkeley และนักวิจัยที่ LLNL กล่าวเสริม
Mark R. Krumholz ซึ่งปัจจุบันเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Princeton, McKee และ Klein รายงานการค้นพบของพวกเขาในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 17 พฤศจิกายน
ทฤษฎีทั้งสองพยายามอธิบายวิธีที่ดาวก่อตัวในเมฆเย็นของไฮโดรเจนโมเลกุลอาจเป็น 100 ปีแสงและมีมวลดวงอาทิตย์ของเราถึง 100,000 เท่า เมฆดังกล่าวถ่ายภาพด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและสปิตเซอร์ในสีที่สวยงาม แต่กระนั้นการเปลี่ยนแปลงของเมฆที่ยุบลงไปยังดาวฤกษ์หนึ่งหรือหลายดวงนั้นยังไม่ชัดเจน ทฤษฎีการก่อตัวดาวฤกษ์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจว่ากาแลคซีและกระจุกของกาแลคซีก่อตัวอย่างไร
“ การก่อตัวดาวฤกษ์เป็นปัญหาที่อุดมไปด้วยซึ่งเกี่ยวข้องกับคำถามเช่นว่าดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ก่อตัวอย่างไรทำไมดาวฤกษ์จำนวนมากจึงอยู่ในระบบดาวคู่และดาวฤกษ์ที่มีมวลประมาณ 10 ถึงร้อยเท่าของมวลดวงอาทิตย์ กล่าวว่า. “ ดาวมวลสูงมากมีความสำคัญเพราะเมื่อพวกมันระเบิดในซูเปอร์โนวาพวกมันจะสร้างองค์ประกอบที่หนักที่สุดที่เราเห็นในวัสดุรอบตัวเรา”
แบบจำลองการเพิ่มการแข่งขันถูกฟักในปลายปี 1990 เพื่อตอบสนองต่อปัญหาของตัวแบบยุบตัวแรงโน้มถ่วงซึ่งดูเหมือนจะมีปัญหาในการอธิบายว่าดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ก่อตัวอย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งทฤษฎีไม่สามารถอธิบายได้ว่าเหตุใดการแผ่รังสีที่รุนแรงจากโปรโตสตาร์ขนาดใหญ่ไม่เพียงแค่ระเบิดชั้นนอกของดาวและป้องกันไม่ให้มันขยายใหญ่ขึ้นแม้ว่านักดาราศาสตร์จะค้นพบดาวที่มีมวลของดวงอาทิตย์ถึง 100 เท่า
ในขณะที่นักทฤษฎีในหมู่พวกเขา McKee, Klein และ Krumholz ได้พัฒนาทฤษฎีการยุบตัวโน้มถ่วงไกลออกไปเพื่ออธิบายปัญหานี้ทฤษฎีการเพิ่มขึ้นของการแข่งขันมีความขัดแย้งมากขึ้นกับการสังเกต ยกตัวอย่างเช่นทฤษฎีการสะสมเพิ่มทำนายว่าดาวแคระน้ำตาลซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่ล้มเหลวนั้นถูกโยนออกจากกระจุกและสูญเสียดิสก์ก๊าซและฝุ่นที่ล้อมรอบ อย่างไรก็ตามในปีที่ผ่านมาดาวแคระน้ำตาลจำนวนมากถูกค้นพบด้วยดิสก์ดาวเคราะห์
“ นักทฤษฎีการเพิ่มการแข่งขันได้เพิกเฉยต่อข้อสังเกตเหล่านี้” ไคลน์กล่าว “ การทดสอบขั้นสูงสุดของทฤษฎีใด ๆ ก็คือมันเห็นด้วยกับการสังเกตได้ดีเพียงใดและทฤษฎีการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงดูเหมือนจะเป็นผู้ชนะที่ชัดเจน”
แบบจำลองที่ใช้โดย Krumholz, McKee และ Klein เป็นแบบจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของการเปลี่ยนแปลงที่ซับซ้อนของก๊าซในเมฆหมุนวนของไฮโดรเจนโมเลกุลที่หมุนวนปั่นป่วนซึ่งหมุนรอบตัวเป็นดาว พวกเขาคือการศึกษาครั้งแรกเกี่ยวกับผลกระทบของความปั่นป่วนต่ออัตราที่ดาวฤกษ์ก่อตัวเมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านเมฆก๊าซและมันทำลายทฤษฎี“ การเพิ่มการแข่งขัน”
ใช้ตัวประมวลผลแบบขนาน 256 ตัวที่ศูนย์ซานดิเอโกซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ UC ซานดิเอโกพวกเขาวิ่งแบบจำลองของพวกเขาเป็นเวลาเกือบสองสัปดาห์เพื่อแสดงให้เห็นว่ามันแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงการก่อตัวดาว
“ เป็นเวลาหกเดือนที่เราทำงานในแบบจำลองที่มีรายละเอียดและมีความละเอียดสูงเพื่อพัฒนาทฤษฎีนั้น” ไคลน์กล่าว “ จากนั้นเมื่อมีทฤษฎีนั้นอยู่ในมือเราก็นำมันไปใช้กับพื้นที่ก่อตัวดาวด้วยคุณสมบัติที่เราสามารถรวบรวมได้จากพื้นที่ก่อตัวดาวฤกษ์”
โมเดลที่ทำงานบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์เบิร์กลีย์และแอลแอลแอลนั้นแสดงให้เห็นว่าความวุ่นวายในแกนกลางและกอล้อมรอบจะป้องกันไม่ให้มวลเพิ่มมากขึ้นในโปรโตสตาร์
“ เราแสดงให้เห็นว่าเนื่องจากความปั่นป่วนดาวจึงไม่สามารถสะสมมวลได้มากขึ้นจากกอล้อมรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ” ไคลน์กล่าว “ ในทฤษฏีของเราเมื่อแกนหลักยุบตัวและแตกหักดาวฤกษ์นั้นก็จะมีมวลทั้งหมดเท่าที่เคยมีมา ถ้ามันเกิดในแกนกลางมวลต่ำมันจะกลายเป็นดาวมวลต่ำ ถ้ามันเกิดในแกนมวลสูงมันอาจกลายเป็นดาวมวลสูงได้”
McKee ตั้งข้อสังเกตว่าการจำลองซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของนักวิจัยระบุว่าการแข่งขันเพิ่มขึ้นอาจทำงานได้ดีสำหรับเมฆขนาดเล็กที่มีความปั่นป่วนน้อยมาก แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ค่อยเกิดขึ้นและไม่เคยสังเกตมาจนถึงปัจจุบัน ภูมิภาคที่ก่อตัวดาวฤกษ์จริงนั้นมีความวุ่นวายมากกว่าที่คาดไว้ในแบบจำลองการสะสมและความปั่นป่วนจะไม่สลายตัวอย่างรวดเร็วตามที่แบบจำลองสันนิษฐาน กระบวนการที่ไม่ทราบวิธีบางอย่างอาจมีความสำคัญไม่ว่าจะเกิดจากโพรโทสตาร์ทำให้ก๊าซมีการระเหยเพื่อที่แกนกลางจะไม่ยุบตัวเร็ว
“ ความปั่นป่วนขัดขวางแรงโน้มถ่วง หากปราศจากมันเมฆโมเลกุลก็จะยุบตัวเร็วกว่าที่สังเกตไว้มาก” ไคลน์กล่าว “ ทฤษฎีทั้งสองสมมติว่ามีความวุ่นวาย กุญแจสำคัญคือ (นั่น) มีกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่อดาวเริ่มก่อตัวซึ่งทำให้ความปั่นป่วนมีชีวิตอยู่และป้องกันไม่ให้เน่าเปื่อย รูปแบบการเพิ่มการแข่งขันไม่มีวิธีใดที่จะนำมาใช้ในการคำนวณซึ่งหมายความว่าพวกเขาไม่ได้จำลองพื้นที่ก่อตัวดาวจริงขึ้นมา”
Klein, McKee และ Krumholz ทำการปรับปรุงรูปแบบของพวกเขาอย่างต่อเนื่องเพื่ออธิบายว่ารังสีจากโปรโตสตาร์ขนาดใหญ่หนีออกมาได้อย่างไร ยกตัวอย่างเช่นพวกเขาแสดงให้เห็นว่ารังสีบางส่วนสามารถหนีผ่านช่องว่างที่สร้างโดยทีมเจ็ตส์ที่สังเกตเห็นเพื่อให้เกิดขั้วของดาวฤกษ์หลายดวงในรูปแบบ การคาดการณ์ทางทฤษฎีหลายครั้งอาจตอบโดยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่และใหม่ซึ่งขณะนี้อยู่ระหว่างการก่อสร้างโดยเฉพาะอย่างยิ่งกล้องโทรทรรศน์อัลม่าที่มีความละเอียดสูงและละเอียดอ่อนซึ่งถูกสร้างขึ้นในชิลีโดยสมาคมแห่งสหรัฐอเมริกานักดาราศาสตร์ยุโรปและญี่ปุ่น
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากองค์การการบินและอวกาศแห่งชาติมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและกระทรวงพลังงาน
แหล่งต้นฉบับ: UC Berkeley News Release
