Drie wetenschappers van het Niels Bohr Instituut (NBI), Universiteit van Kopenhagen, hebben uitgebreide computersimulaties uitgevoerd met betrekking tot stervorming. Ze concluderen dat de huidige geïdealiseerde modellen ontbreken als het gaat om het beschrijven van details in het stervormingsproces. "Hopelijk kunnen onze resultaten ook helpen om meer licht te werpen op planeetvorming, " zegt Michael Küffmeier, astrofysicus en hoofd van het onderzoeksteam.

Om de basisprincipes van stervorming uit te leggen, men kan eenvoudige modellen gebruiken - eenvoudige geometrische vormen die gemakkelijk te begrijpen en te relateren zijn.

Maar toch – zelfs als zulke eenvoudige modellen de basisprincipes op het werk kunnen verklaren, ze kunnen nog steeds ontbreken als het gaat om kwantitatieve details - en dat is precies wat drie onderzoekers van Center for Star and Planet Formation van NBI aantonen in een wetenschappelijk artikel dat zojuist is gepubliceerd in The Astrofysisch tijdschrift .

De wetenschappers voerden computersimulaties uit van de vorming van honderden sterren, waaruit negen zorgvuldig geselecteerde sterren, vertegenwoordigen verschillende regio's in de ruimte, werden gekozen voor meer gedetailleerde modellering, legt astrofysicus Michael Küffmeier uit, hoofd van het project - dat ook een belangrijk onderdeel is van zijn Ph.D. proefschrift.

Küffmeier plande en voerde het onderzoek uit in samenwerking met NBI-collega's professor Åke Nordlund en hoofddocent Troels Haugbølle - en de simulaties laten zien dat stervorming inderdaad sterk wordt beïnvloed door lokale omgevingsomstandigheden in de ruimte, zegt Küffmeier:"Deze omstandigheden bepalen bijvoorbeeld de grootte van protoplanetaire schijven, en de snelheid waarmee stervorming plaatsvindt - en geen enkele wetenschappelijke studie heeft dit ooit eerder aangetoond."

Computers die de klok rond werken

Volgens het klassieke model, een ster wordt gevormd wanneer een prestellaire kern - een ronde accumulatie met ongeveer 99 procent gas en 1 procent stof - instort als gevolg van 'overgewicht'. een ster wordt gevormd in het midden van de ineenstorting - gevolgd, als gevolg van impulsmoment, door de vorming van een schijf van gas en stof die rond de ster draait.

"Dit is de protoplanetaire schijf van de ster, en men denkt dat planeten in dergelijke schijven zijn gevormd - planeet Aarde is daarop geen uitzondering, ", zegt Michael Küffmeier.

Maar hoe zijn de NBI-onderzoekers erin geslaagd om dit model te detailleren? Het antwoord hangt nauw samen met ultramoderne computersimulaties:je voedt enkele van de krachtigste computers die beschikbaar zijn met een bijna onpeilbare 'lading' aan informatie - en laat ze maandenlang de klok rond draaien. En dan, Michael Küffmeier zegt, misschien heb je het geluk om zelfs gevestigde concepten op de proef te stellen:

"We zijn begonnen met het bestuderen van de stap voor de prestellaire kernen. En als je dat probeert via computersimulaties, je zult onvermijdelijk te maken krijgen met gigantische moleculaire wolken - dit zijn gebieden in de ruimte die dicht zijn bij gas en stof; Regio's, waar stervorming plaatsvindt."

Een zeer omvangrijke wolk

Een gigantische moleculaire wolk wordt niet voor niets 'reus' genoemd – neem maar eens de gigantische moleculaire wolk die de drie NBI-onderzoekers bestudeerden. Als je goed naar deze wolk kijkt - en om rekenkundige redenen besluit hem te onderzoeken door hem in een kubusvormig model te 'knijpen', dat is wat de onderzoekers deden - je krijgt een kubus die aan alle kanten 8 miljoen keer de afstand tussen de zon en de aarde meet. En als je die vermenigvuldiging uitvoert, het eindresultaat zal meer cijfers zijn dan de meeste hersenen zelfs maar vaag kunnen bevatten, aangezien de afstand van de zon tot de aarde 150 miljoen kilometer is.

De NBI-onderzoekers keken nauwkeurig naar negen verschillende sterren in deze gigantische moleculaire wolk - "en in elk geval verzamelden we nieuwe kennis over de vorming van deze specifieke ster, " zegt Michael Küffmeier:

Stervorming in een gigantische moleculaire wolk. De kleine witte stippen vertegenwoordigen sterren in de computersimulatie.

"Omdat we in verschillende regio's van een gigantische moleculaire wolk werkten, de resultaten van de onderzochte sterren lieten verschillen zien in b.v. schijfvorming en schijfgrootte die kunnen worden toegeschreven aan de invloed die wordt uitgeoefend door lokale omgevingsomstandigheden. In die zin zijn we verder gegaan dan het klassieke begrip van stervorming."

Het NBI-team had toegang tot supercomputers – een groot aantal losse computers die in netwerken zijn gekoppeld – sommige in Parijs, en sommigen in Kopenhagen bij de H.C. Ørsted Instituut aan de Universiteit van Kopenhagen. En de machines werden echt aan het werk gezet, zegt hoofddocent Troels Haugbølle, een van Michael Küffmeiers co-auteurs:

"Deze berekeningen waren zo uitgebreid dat als je je voorstelt dat de simulaties die de vorming van slechts één van de sterren beschrijven, zouden worden uitgevoerd op een enkele laptopcomputer, de machine zou bijna 200 jaar 24/7 moeten werken."

Ondersteund door observaties

Op basis van de computersimulaties, de drie NBI-wetenschappers hebben met name de invloed van magnetische velden en turbulentie bestudeerd, factoren die een belangrijke rol spelen bij stervorming. Dit zou, voegt Michael Küffmeier toe, een van de redenen zijn waarom protoplanetaire schijven relatief klein zijn in sommige gebieden van een gigantische moleculaire wolk:

"We zijn in staat om te zien hoe belangrijk de omgeving is voor het stervormingsproces. We zijn daarmee op weg gegaan om realistische, kwantitatieve modellen van de vorming van sterren en planeten, en we gaan hier dieper op in. Een van de dingen die we willen onderzoeken heeft te maken met het lot van stof in protoplanetaire schijven – we willen weten hoe stof en gas worden gescheiden, waardoor uiteindelijk planeten kunnen worden gevormd."

De NBI-wetenschappers zijn blij dat hun computersimulaties ondersteund lijken te worden door telescoopwaarnemingen, vanuit de ruimte en vanaf de grond - waaronder waarnemingen uitgevoerd door de krachtige ALMA-telescoop in Noord-Chili, zegt Michael Küffmeier:"Dit zijn waarnemingen die onze simulaties kwalitatief bevestigen."

Het feit dat de telescoopwaarnemingen de NBI-computersimulaties "kwalitatief bevestigen", betekent dat de twee gegevenssets op geen enkele significante manier botsen of tegenspreken, legt Michael Küffmeier uit:"Niets afgeleid van de telescoopwaarnemingen is in tegenspraak met onze hoofdhypothese:dat stervorming een direct gevolg is van processen die op grotere schaal plaatsvinden."

De wetenschappers verwachten dat hun voortdurende computersimulaties zullen bijdragen aan een beter begrip van de vorming van planeten - door de kennis die is verkregen uit de NBI-simulaties te combineren met waarnemingen uitgevoerd door ALMA en de extreem geavanceerde James Webb Space Telescope die in oktober 2018 wordt gelanceerd.

"De James Webb-ruimtetelescoop zal ons informatie kunnen geven over de atmosfeer rond exoplaneten - planeten buiten ons zonnestelsel die rond een ster draaien, " zegt Michael Küffmeier:"Dit, te, zal ons helpen een beter begrip te krijgen van de oorsprong van planeten."