WYZNACZANIE TRENDÓW W NAUCE: Narodziny gwiazdy

Czy gdy spoglądasz w niebo nocą, zastanawiasz się czasem, jak powstają gwiazdy? Śmierć każdej z gwiazd oznacza narodziny nowej, a proces powstawania tych obiektów kosmicznych jest równie zachwycający, jak one same.

Narodziny gwiazdy trwają miliony lat. Jak podaje artykuł opublikowany w czasopiśmie „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”, badacze posłużyli się narzędziem o nazwie STAR FORmation in Gaseous Environments (STARFORGE), by przygotować trwającą nieco ponad minutę symulację prezentującą sposób, w jaki z wielkich obłoków materii znajdujących się w przestrzeni kosmicznej formują się gwiazdy.Większość gwiazd bierze swój początek w olbrzymich obłokach gazu i pyłu zwanych mgławicami. Narzędzie STARFORGE pozwala wiernie odtworzyć to, co naprawdę dzieje się w zawieszonej w przestrzeni kosmicznej gazowej chmurze, z której ostatecznie powstają gwiazdy i planety. Nowy film przedstawia wyniki pierwszej numerycznej symulacji powstawania gwiazdy. Trwające niecałe 90 sekund nagranie, które obrazuje procesy zachodzące przez kilka milionów lat, jest uważane za najbardziej realistyczny z dostępnych obecnie modeli.

Michael Grudić, główny autor oraz astrofizyk teoretyczny na Northwestern University w Stanach Zjednoczonych, komentuje to następująco w komunikacie prasowym: „Symulacje procesu formowania się gwiazd są prowadzone już od kilkudziesięciu lat, ale STARFORGE to prawdziwy przełom technologiczny. Inne modele pozwalały nam prowadzić obliczenia dla jedynie niewielkiego fragmentu obłoku, w którym formują się gwiazdy – nigdy dla całej chmury w tak dużej rozdzielczości. Nie widząc pełnego obrazu, nie potrafiliśmy wskazać wielu czynników, które mogą mieć wpływ na powstającą gwiazdę”.

Aby narzędzie STARFORGE mogło w ogóle zaistnieć, badacze musieli uwzględnić w nim kilka parametrów fizycznych, takich jak temperatura, grawitacja, pola magnetyczne oraz dynamika gazu. Obliczenia prowadzono przez ponad trzy miesiące na jednym z największych i najpotężniejszych superkomputerów – maszynie o nazwie Frontera.

Podczas formowania się gwiazdy z jej biegunów wyrzucane są strumienie gazu. Dzięki temu gwiazda nie rozrasta się zbyt szybko. Z najnowszych odkryć wynika, że strumienie wyrzucane przez nowe gwiazdy pomagają utrzymać pod kontrolą ilość materii nagromadzonej w gwieździe. W symulacjach, w których nie uwzględniano strumieni gazu, zwykłe gwiazdy osiągały masę będącą mniej więcej 10-krotnością masy Słońca, czyli znacznie większą niż faktyczna masa przeciętnej gwiazdy. W symulacjach, które uwzględniały wyrzucanie materii, masy gwiazd były rzędu połowy masy Słońca, czyli utrzymywały się w znacznie bardziej realistycznym przedziale.

„Strumienie zakłócają napływ gazu do gwiazdy”, wyjaśnia dr Grudić. „Sprowadza się to do tego, że odpychają gaz, który inaczej trafiłby do gwiazdy i zwiększył jej masę. Od dawna podejrzewano, że coś takiego może mieć miejsce, ale dopiero przeprowadzenie symulacji dla całego układu pozwoliło nam dokładnie zrozumieć przebieg tego procesu”.Lepsze zrozumienie natury gwiazd pozwoli nam lepiej rozumieć wszechświat i nasze w nim miejsce, jak zauważa dr Grudić. „Jeśli zdołamy zrozumieć sposób formowania się gwiazd, będziemy potrafili odpowiedzieć na pytanie, jak powstają galaktyki. To z kolei pozwoli nam wnioskować więcej na temat materii, z której składa się wszechświat. Zrozumienie tego, skąd się wzięliśmy i jakie jest nasze miejsce we wszechświecie, zależy w znacznym stopniu od zrozumienia procesu powstawania gwiazd”.

„Pytanie o przebieg formowania gwiazd jest w zasadzie głównym pytaniem astrofizyki”, mówi Claude-André Faucher-Giguère, jeden z głównych autorów artykułu i astrofizyk na Northwestern University. „Znalezienie odpowiedzi na nie nie jest proste ze względu na liczbę procesów fizycznych, z jaką mamy do czynienia w trakcie narodzin gwiazdy. Nowa symulacja pomoże nam odnieść się bezpośrednio do podstawowych pytań, na które wcześniej nie potrafiliśmy udzielić jednoznacznej odpowiedzi”.