Dies ist eine Simulation des interstellaren Mediums, das wie Rauch durch die Milchstraße fließt
Wie entstehen Sterne?
Wir wissen, dass sie sich aus massiven Strukturen bilden, die genannt werden Molekülwolken , die sich selbst aus den . bilden Interstellares Medium (ISM). Aber wie und warum entstehen bestimmte Arten von Sternen? Warum bildet sich in manchen Situationen ein Stern wie unsere Sonne im Gegensatz zu einem Roten Zwerg oder einem Blauen Riesen?
Das ist eine der zentralen Fragen der Astronomie. Es ist auch ein sehr komplexes.
Das ISM ist die Materie und Energie zwischen Sonnensystemen in einer Galaxie. Die Sternentstehung beginnt, wenn das ISM in riesige Gaswolken zerfällt, die als Molekülwolken bezeichnet werden und die Vorläufer von Sternen sind. Wissenschaftler haben Fragen zur Rolle, die Turbulenzen bei dieser Fragmentierung spielen und wie sie sich auf die Arten von Sternen auswirkt, die sich schließlich bilden.
Die ISM hat eine komplexe Beziehung zu Sternen. Nachdem sich Sterne gebildet haben, geben sie das Material schließlich über . an das ISM zurück Supernovae , planetarische Nebel , und Sternenwinde . Dieses Hin und Her zwischen Sternen und dem ISM bestimmt die Sternentstehungsrate einer Galaxie und ihre Lebensdauer der Sternentstehung.
Turbulenzen spielen dabei eine zentrale Rolle. Eine neue Studie präsentiert eine Gassimulation des ISM und wie es Molekülwolken bildet. Die Autoren der neuen Studie wollten es besser verstehen und führten die bisher hochauflösenden Supercomputer-Simulationen dieser Turbulenzen durch.
Ihr Papier trägt den Titel „ Die Schallskala der weltweit größten Überschallturbulenzsimulation .“ Erstautor ist Christoph Federrath, Professor am Institut für Theoretische Astrophysik (ITA) am Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg. Die Studie ist in Nature Astronomy erschienen.
Die Turbulenzen im ISM bestimmen nicht nur die Sternentstehungsraten; es bestimmt die Arten von Sternen, die sich bilden. In diesem Sinne beeinflusst es auch die Planetenbildung, und wenn diese Planeten so etwas wie die Erde sein können. Das Studium der Turbulenz ist also keine esoterische Tangente in der Astronomie. Es steht in direktem Zusammenhang mit Planeten, sogar mit Leben.
Das ISM ist nicht gleichmäßig im Raum zwischen den Sternen verteilt. Es ist ähnlich verteilt, wie Rauch aufgrund von Turbulenzen aufsteigt und fällt und fließt. Die Turbulenzen sind laut den Autoren der Studie der Schlüssel zum Verständnis der Gasfragmentierung.
Die Abbildung zeigt einen Schnitt durch den Kubus der Turbulenzsimulation. Die Farben zeigen den Dichtekontrast relativ zur mittleren Dichte des Gases. Seine turbulente Struktur ist deutlich zu erkennen. Insbesondere treten die zahlreichen Schockfronten hervor, erkennbar an den starken Dichteänderungen von hoher Dichte (hellorange) zu geringer Dichte (dunkelviolett). Besonders deutlich wird dies im vergrößerten Ausschnitt. (Quelle: C. Federrath) Bildquelle: Federrath et al, 2021.
Es gibt Ähnlichkeiten zwischen den Turbulenzen im ISM und den Turbulenzen in Rauchwolken. Turbulenzen in großem Maßstab neigen in beiden Fällen dazu, zu Turbulenzen in kleinerem Maßstab zu kaskadieren. Aber der Vergleich ist nicht perfekt: Der ISM ist mit nur 1 bis 100 Partikeln pro Quadratzentimeter Volumen extrem schwach. Offensichtlich ist Rauch viel dichter.
Im dünnen ISM kaskadiert die turbulente Energie auf einen kleineren Maßstab als im Rauch, nicht nur wegen seiner Dünnheit, sondern auch weil der ISM eine sehr niedrige Viskosität hat. Schließlich reduziert diese Kaskadierung die Geschwindigkeit der turbulenten Bewegung über einen Schwellenwert von Überschallgeschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeit.
Wenn die Turbulenz diese Schwelle überschreitet, ändert sich die Gaswolke von turbulenzdominiert zu schwerkraftdominiert. Wann und wie das geschieht, bestimmt die Größe der dichten Kerne von Molekülwolken. Und es sind die dichten Kerne, die zur Sternentstehung führen.
Das auf diesem Bild gezeigte Gebiet ist als Polaris Flare bekannt, eine Region aus Staub und Gas im Sternbild Ursa Minor, 490 Lichtjahre von der Erde entfernt. Es wurde vom ESA-Infrarot-Weltraumobservatorium Herschel aufgenommen und als Farbkomposit angezeigt. Es zeigt mehrere verschlungene interstellare Filamente, die sich über Dutzende von Lichtjahren durch den Weltraum erstrecken. In die Filamente eingebettet sind dichtere Materialflecken, die in Zukunft zu Sternen werden könnten. Federrath und seine Kollegen verglichen die Eigenschaften dieser Filamente und denen in anderen Molekülwolkenregionen mit ihren Simulationen und fanden eine sehr gute Übereinstimmung. (Quelle: ESA und die SPIRE & PACS-Konsortien, Ph. André (CEA Saclay) für das Gould’s Belt Survey Key Program Consortium und A. Abergel (IAS Orsay) für das Evolution of Interstellar Dust Key Program Consortium)
Dieser Übergang von turbulenzdominiert zu schwerkraftdominiert ist ein physikalischer Ort in der Wolke, und trotz theoretischer Vorhersagen waren Ort, Form und Breite der Übergangszone unbekannt. Das liegt an der Komplexität.
„Die physikalischen Prozesse sind so enorm komplex, dass ihr Zusammenspiel nur mit Hilfe von Computersimulationen untersucht werden kann“, sagt Studien-Co-Autor Professor Rafl Klessen von der Universität Heidelberg.
Klessen leitet eine Forschungsgruppe an der Universität, und sie nutzten die Geräte am Leibniz-Rechenzentrum die Simulationen durchzuführen.
Federrath und seine Kollegen haben die Turbulenzen auf beiden Seiten der Überschall- und Schallskala modelliert. Die Dynamik dieser Turbulenzen in den Gaswolken ist äußerst komplex und erforderte extreme Rechenleistung, um sie zu simulieren. „Für unsere spezielle Simulation, bei der wir sowohl die Überschall- als auch die Unterschallturbulenzkaskade mit der Schallskala dazwischen verfolgen wollen, müssen wir mindestens vier Größenordnungen in der räumlichen Ausdehnung auflösen“, erklärt Federrath in a Pressemitteilung .
Dies ist ein Screenshot des Videos der Teamsimulation. Klicke zum Zeigen. Quelle: Federrath et al. 2021.
Nach Angaben des Forscherteams waren ihre Simulationen ein voller Erfolg und bestätigten theoretische Vorhersagen. Sie konnten die Position der Übergangszone zwischen Überschall- und Schallskalen bestimmen und ihre Breite und Form quantifizieren. Sie fanden auch heraus, dass der Übergang nicht scharf abgegrenzt ist, sondern in einem weiten Maßstab stattfindet.
Darüber hinaus verglichen sie die Ergebnisse ihrer Simulation mit Beobachtungen einer Gaswolke in der Milchstraße. Diese Beobachtungen bestätigten ihre Ergebnisse.
„Theoretisch definiert diese Übergangszone die Häufigkeit, mit der dichte Kerne in interstellaren Gaswolken zu finden sind“, erklärt Prof. Klessen. „Wir haben daher unsere Vorhersagen mit Beobachtungen der Gaswolke IC5146 in der Milchstraße verglichen und eine sehr gute Übereinstimmung erzielt. Das ist ein ermutigendes Ergebnis“, fügte er hinzu.
Die breitere Astronomieforschungsgemeinschaft ist auf die Arbeit des Teams aufmerksam geworden. Christopher McKee vom Dept. of Astronomy an der UC Berkeley und James Stone vom Institute for Advanced Study in Princeton, NJ, schrieben a Artikel mit Neuigkeiten und Ansichten in Nature Astronomy spricht über die Bedeutung dieser Forschung.
„Die Sternentstehung ist von zentraler Bedeutung in der Astrophysik“, erklären sie. „Es führt nicht nur zu der Vielfalt der im Universum beobachteten Sterne, sondern auch (indirekt) zur Bildung von Planeten und Schwarzen Löchern, der Entstehung der schweren Elemente, der Energetisierung des interstellaren Mediums und des zirkumgalaktischen Mediums durch Feedback von Strahlung, Winde und Supernovae und sogar die Entwicklung von Galaxien.“
Ein Panorama-Hubble-Bild des Carina-Nebels, das die turbulenten Auswirkungen der Sternwinde und der ionisierenden Strahlung von massereichen Sternen auf die Molekülwolke zeigt, aus der die Sterne geboren wurden. Bildquelle: NASA / ESA / N. Smith (University of California, Berkeley) / das Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Aufgrund der Zeitskala, die an der Bildung von Molekülwolken und Sternen beteiligt ist, kann sie nicht durch Beobachtung untersucht werden. Es kann nur mit Simulationen angegangen werden, und die Ergebnisse dieser Simulationen können dann mit Beobachtungen verglichen werden, wie in dieser neuen Studie. „Die komplexe und nichtlineare Struktur der Überschallturbulenz macht numerische Experimente entscheidend für das Verständnis der Physik der Sternentstehung“, schreiben die beiden in ihrem Artikel.
Und Federrath und seine Kollegen haben die bisher gründlichste und detaillierteste Simulation durchgeführt. Schnelle Fortschritte in der Rechenleistung haben diese Art von Simulationen ermöglicht, und wie McKee und Stone betonen, wurde der in dieser Simulation verwendete Supercomputer bereits an Leistung übertroffen.
Für Wissenschaftler, die sich mit dem Problem befassen, stößt die Entwicklung leistungsstarker Computer und ebenso leistungsstarker Software an die Grenzen des Verständnisses. „Sowohl in den USA als auch in Europa ist geplant, sogenannte Exascale-Systeme (mit einer Kapazität von 1018Gleitkommaberechnungen pro Sekunde, etwa zehnmal schneller als aktuelle Supercomputer), die in den nächsten Jahren verfügbar sein werden“, schreiben McKee und Stone. „Während es eine große Herausforderung sein wird, wissenschaftliche Software zu entwickeln, die die Vorteile solcher Systeme voll ausschöpfen kann, bleibt die Zukunft von Rechenansätzen zur Untersuchung einer Vielzahl von Problemen der Astrophysik, einschließlich der Sternentstehung, sehr rosig.“
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