Астрофизическое исследование изучает турбулентность в молекулярных облаках

На этом изображении показано распределение плотности при моделировании турбулентного молекулярного облака. Автор: NASA/E. Scannapieco et al (2024)

На самолете движения воздуха как в малых, так и в больших масштабах способствуют турбулентности, что может привести к тряске в полете. Турбулентность в гораздо больших масштабах важна для того, как формируются звезды в гигантских молекулярных облаках, пронизывающих Млечный Путь.

В новом исследовании в журнале Science Advances ученые создали симуляции для изучения того, как турбулентность взаимодействует с плотностью облака. Комки или карманы плотности — это места, где будут рождаться новые звезды. Наше Солнце, например, образовалось 4,6 миллиарда лет назад в комковатой части облака, которое разрушилось.

«Мы знаем, что основным процессом, определяющим, когда и как быстро образуются звезды, является турбулентность, поскольку она порождает структуры, которые создают звезды», — сказал Эван Скэннапьеко, профессор астрофизики в Университете штата Аризона и ведущий автор исследования. «Наше исследование раскрывает, как формируются эти структуры».

Гигантские молекулярные облака полны случайных, турбулентных движений, которые вызваны гравитацией, перемешиванием галактических рукавов и ветров, струй и взрывами молодых звезд. Эта турбулентность настолько сильна, что создает толчки, которые приводят к изменениям плотности в облаке.

В симуляциях использовались точки, называемые трассерными частицами, для прохождения молекулярного облака и перемещения вместе с материалом. По мере перемещения частиц они регистрируют плотность части облака, с которой они сталкиваются, создавая историю того, как карманы плотности меняются с течением времени. Исследователи, среди которых также были Любин Пан из Университета Сунь Ятсена в Китае, Маркус Брюгген из Гамбургского университета в Германии и Эд Буйе II из колледжа Вассар в Покипси, штат Нью-Йорк, смоделировали восемь сценариев, каждый из которых имел свой набор реалистичных свойств облаков.

Команда обнаружила, что ускорение и замедление ударных волн играет существенную роль в траектории частиц. Ударные волны замедляются, когда они попадают в газ высокой плотности, и ускоряются, когда они попадают в газ низкой плотности. Это похоже на то, как океанская волна усиливается, когда она ударяется о мелководье у берега.

Когда частица попадает в ударную волну, область вокруг нее становится более плотной. Но поскольку ударные волны замедляются в плотных областях, как только комки становятся достаточно плотными, турбулентные движения не могут сделать их плотнее. Эти самые комковатые области высокой плотности — это те места, где звезды, скорее всего, и образуются.

В то время как другие исследования изучали структуры плотности молекулярных облаков, эта симуляция позволяет ученым увидеть, как эти структуры формируются с течением времени. Это дает ученым понимание того, как и где, скорее всего, будут рождаться звезды.

На этом изображении показана часть моделирования молекулярного облака. Цвета представляют плотность, темно-синий указывает на наименее плотные области, а красный — на самые плотные. Трассирующие частицы, представленные черными точками, пересекают моделируемое облако. Изучая, как они взаимодействуют с ударными волнами и очагами плотности, ученые могут лучше понять структуры в молекулярных облаках, которые приводят к образованию звезд. Автор: NASA/E. Scannapieco et al (2024)

«Теперь мы можем лучше понять, почему эти сооружения выглядят именно так, поскольку мы можем отслеживать их историю», — сказал Сканнапьеко.

Больше информации: Evan Scannapieco et al, Understanding density fluctuations in supersonic, isothermal turbulence, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado3958

Источник: NASA