Моделирование с высоким разрешением исследует физику звездообразования
Новые симуляции показывают поперечное сечение звезды и окружающего ее газового диска. На левом изображении, где молодая звезда слабо намагничена, можно увидеть, как газ свободно течет из окружающего ее диска материала на поверхность протозвезды. На правом изображении материал течет вдоль линий магнитного поля к полюсам звезды, в гораздо более определенном потоке. Автор: Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451842
Звезды рождаются в облаках газа и пыли, что затрудняет наблюдение за их ранним развитием. Но исследователи из Чалмерса теперь преуспели в моделировании того, как звезда с массой Солнца поглощает материал из окружающего ее диска — процесс, называемый аккрецией.
Звезда́ — массивный газовый шар, излучающий свет и удерживаемый в состоянии равновесия силами собственной гравитации и внутренним давлением, в недрах которого происходят (или происходили ранее) реакции термоядерного синтеза. Ближайшей к Земле звездой является Солнце — типичный представитель спектрального класса G.
Звёзды образуются из газово-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационного сжатия. Температура вещества в недрах звёзд измеряется миллионами кельвинов, а на их поверхности — тысячами кельвинов. Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется в результате термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих при высоких температурах во внутренних областях. Википедия
«Это одни из первых симуляций с высоким разрешением, в которых мы исследуем среднюю стадию эволюции протозвезды, где сосредоточена большая часть массы звезды, и которые ранее не изучались столь подробно. Наши четыре симуляции охватывают два месяца каждая из жизни протозвезды, и для их выполнения потребовались вычислительные усилия, эквивалентные примерно 2 миллионам часов работы процессора», — говорит Брандт Гаше, астроном из Чалмерса.
Один из многих нерешенных вопросов в астрономии заключается в том, как новорожденные звезды — протозвезды — аккрецируют массу из окружающих их газовых облаков. Хотя новые и обновленные телескопы увеличили свои возможности наблюдения, теоретических моделей этого процесса не хватало. Чтобы исследовать ранние дни — или первые сотни тысяч лет, если быть точнее — звездообразования, Брандт Гаше и его коллеги решили создать подробные симуляции.
«Главный, фундаментальный вопрос был: как ранние протозвезды аккрецируют свою массу? Было предложено несколько моделей для разных типов протозвезд, но мы хотели начать с нуля и спросить: для протозвезды с массой, схожей с солнечной, как разные величины магнитного поля повлияют на процесс аккреции? Это принципиально меняет ситуацию или разница незначительна?» — говорит Гаше, научный сотрудник по космическим источникам в Технологическом университете Чалмерса.
Фокус на магнитных полях
Магнитное поле может сильно меняться в зависимости от того, какой материал звезда собрала из окружающих облаков. Сила поверхностного магнитного поля молодых протозвезд не очень хорошо ограничена, и когда и как они приобретают свои магнитные поля, не очень хорошо известно. Однако их магнитные поля должны играть значительную роль в том, как они наращивают свою массу и взаимодействуют с их родовой средой.
Чтобы поближе рассмотреть, как магнитные поля влияют на скорость аккреции, исследователи смоделировали четыре протозвезды с массой и гравитацией, как у нашего Солнца, но где магнитные поля варьируются от 10 Гаусс — также примерно как у нашего Солнца — до 2000 Гаусс. Цель состояла в том, чтобы увидеть, влияют ли магнитные поля на то, как звезда аккрецирует материал из окружающего диска, и как это происходит.
«В случае 10 Гаусс, когда протозвезда слабо намагничена, мы можем видеть, что газ свободно течет из диска прямо на поверхность протозвезды. Мы также можем наблюдать, что большое количество материала выбрасывается из полюсов звезды.
«В случае сильной намагниченности (2000 Гаусс) магнитное поле протозвезды достаточно сильное, чтобы отсечь диск, остановив прямой поток газа. Вместо этого газ течет только вдоль линий магнитного поля, которые соединяют диск с протозвездой, в областях, расположенных ближе к полюсам. Материя предпочитает следовать линиям поля, создавая гораздо более определенный поток — практически без выхода материала из полюсов», — говорит Гаш.
Графики, показывающие темпы аккреции для четырех различных протозвездных магнитных полей. «Остроконечный» зеленый график для самого сильного магнитного поля (2000 Гаусс) ясно показывает внезапные всплески аккреции. Автор: Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451842
Внезапные всплески аккреции
Но даже если процесс выглядит совершенно по-разному в двух крайних случаях, большой разницы в количестве материала, который аккрецируют звезды, нет — разница заключается в том, как материал аккрецируется в течение двух месяцев моделирования.
«В случае 10 Гаусс скорость аккреции сильно варьируется и колеблется с частотой до 10 раз в течение часа. Это происходит потому, что материал по сути падает хаотично», — говорит Гаше.
По мере увеличения магнитных полей в симуляциях 500 и 1000 Гаусс потоки газа становятся более стабильными, поскольку магнитное поле помогает организовать поток и уменьшить изменчивость. Но при 2000 Гаусс изменчивость появляется снова, совсем другим образом. Большая часть материала течет вдоль линий поля к полюсам звезды, в упорядоченном порядке.
Но время от времени симуляции также показывают накопление материала, который врезается прямо в звезду внезапными и нерегулярными всплесками. Это происходит из-за того, что газ скапливается на магнитной границе и в конечном итоге проталкивается, создавая всплески аккреции.
«Мы ожидали более непрерывного потока материала вдоль линий магнитного поля, поэтому эти всплески скорости аккреции были неожиданными», — говорит Брандт.
«Моделирование также неожиданно показало, что независимо от режима аккреции доля поверхности протозвезды, на которую падает большая часть газа, в среднем меняется незначительно».
Предстоит еще больше работы по физике звездообразования
«Мы считаем, что эти моделирования мотивируют дальнейшие наблюдения магнитных полей в протозвездах, и что наши моделирования могут оказать большую помощь при интерпретации таких наблюдений процесса аккреции».
Моделирование будет расширено в будущей работе для более широкого взгляда на физику звездообразования. Высокое разрешение и длинная временная шкала позволяют исследовать широкий спектр интересной протозвездной физики.
«Одной из основных целей этих симуляций было создание большого набора данных для изучения физики звездообразования. Каждая модель имеет около 3000 отдельных изображений, распределенных по периоду времени в 60 дней. Это дает нам высокое временное и пространственное разрешение, позволяя нам собирать воедино подробную информацию».
Больше информации: Brandt AL Gaches et al, The High-resolution Accretion Disks of Embedded protoStars (HADES) simulations, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202451842
Источник: Chalmers University of Technology
0 комментариев