Nowe obserwacje potwierdzają ważny etap formowania się gwiazd
Zespół naukowców potwierdził istnienie kosmicznego wiatru, który odgrywa istotną rolę w zapadaniu się obłoku gwiazdotwórczego.
Wizja artystyczna dysku akrecyjnego wokół młodej gwiazdy i wypływającego wirującego wiatru dysku. Zmierzone światło od strony wiatru, który zmierza w naszą stronę, wydaje się przesunięte w kierunku niebieskim i tutaj ma kolor niebieski. Światło strony odwracającej się od nas jest przesunięte w stronę czerwieni i tym samym zabarwione na czerwono.
Źródło: T. Müller, R. Launhardt (MPIA)
Nowe badania potwierdziły kluczowy etap w procesie tworzenia się gwiazd: obserwacje wykazały istnienie wirującego „kosmicznego wiatru” składającego się z cząsteczek, który odgrywa niezwykle istotną rolę w zapadaniu się obłoków gazu wystarczająco, by umożliwić powstanie gorącej i gęstej młodej gwiazdy. Wyniki tych badań zostały uzyskane dzięki połączeniu obserwacji radiowych z zaawansowaną analizą, co umożliwiło astronomom bardziej szczegółowe niż kiedykolwiek wcześniej zbadanie przepływu materii wokół młodej gwiazdy znajdującej się w ciemnym obłoku CB26.
Ralf Launhardt, lider grupy w Instytucie Astronomii Maxa Plancka, oraz jego współpracownicy przeprowadzili obserwacje, które umożliwiły ustalenie istotnego elementu standardowego scenariusza formowania się gwiazd. Odkryli oni mechanizm, który wyjaśnia, w jaki sposób obłoki gazu mogą się skurczać, tworząc nową gwiazdę, bez rozrywania się pod wpływem własnej rotacji.
Nowe gwiazdy powstają, gdy gaz w kosmicznym obłoku wodoru ulega skurczeniu pod wpływem własnej grawitacji, co prowadzi do wzrostu temperatury. Kiedy gęstość i temperatura osiągną pewien próg, rozpoczyna się proces syntezy jądrowej, w którym jądra wodoru łączą się, tworząc jądra helu. Energia uwolniona w tym procesie sprawia, że gwiazdy świecą. Jednak istnieje pewna komplikacja związana z tym procesem. Żaden gazowy obłok w kosmosie nie jest całkowicie nieruchomy – wszystkie obłoki obracają się przynajmniej nieznacznie. W miarę kurczenia się gazu, rotacja staje się coraz szybsza. Fizycy określają to jako „zachowanie momentu pędu”.
Problem i jego (potencjalne) rozwiązanie
Dla procesu formowania się gwiazd, to stanowi potencjalny problem. Szybkie wirowanie powoduje siły odśrodkowe, które wypychają materię z osi obrotu. W przypadku huśtawki lub karuzeli, jest to część zabawy: gdy karuzela się obraca, krzesełka podtrzymywane łańcuchami są wyrzucane na zewnątrz. Jednak w przypadku protogwiazd, siły odśrodkowe mogą być śmiertelne. Jeśli wystarczająca ilość materii zostanie wyrzucona, gdy obłok kurczy się i zwiększa swoją rotację, może nie pozostać wystarczająco dużo materii, aby w ogóle uformować protogwiazdę!
Jest to znane jako „problem momentu pędu” w formowaniu się gwiazd. Teoretyczne rozwiązanie przynajmniej części tego problemu zostało odkryte w latach 80. XX wieku. Gdy dodatkowy materiał opada na rozwijającą się centralną protogwiazdę, tworzy się tzw. dysk akrecyjny – płaski, wirujący dysk z gazu i pyłu, którego materia ostatecznie opada na protogwiazdę w centrum. Fizyka dysków akrecyjnych jest dość skomplikowana: część gazu w dysku staje się plazmą, gdzie atomy wodoru rozpadają się na elektrony i protony. W miarę obrotu plazmy w dysku, tworzy się pole magnetyczne. To pole magnetyczne wpływa na przepływ plazmy: niewielka ilość plazmy dryfuje wzdłuż linii pola magnetycznego. Cząsteczki plazmy czasami zderzają się z elektrycznie neutralnymi cząstkami, przez co część gazu molekularnego jest również unoszona. Te cząsteczki tworzą „wiatr dyskowy”, który może odebrać dyskowi znaczną ilość momentu pędu. Utrata momentu pędu spowalnia rotację, zmniejsza siły odśrodkowe i może rozwiązać problem momentu pędu protogwiazdy.
Od hipotezy do obserwacji
Początkowo ten scenariusz był tylko prawdopodobną hipotezą. Dla obserwatora na Ziemi struktura takiego dysku akrecyjnego wokół nawet najbliższej nowo powstałej gwiazdy jest naprawdę bardzo mała. Dlatego dopiero po 20 latach astronomowie znaleźli wstępne dowody na istnienie rotacji tego typu przepływu masy. W 2009 roku Ralf Launhardt i jego współpracownicy z Instytutu Astronomii Maxa Plancka byli w stanie zaobserwować wypływ materii wokół młodej gwiazdy w małym obłoku wodoru o nazwie CB26. CB26 znajduje się w odległości mniejszej niż 460 lat świetlnych od Ziemi i jest jednym z najbliższych znanych systemów dyskowych wokół protogwiazdy.
Obserwacje, o których mowa, zostały przeprowadzone przy użyciu radioteleskopów pracujących na długościach fal milimetrowych. W tym przypadku wykorzystano układ anten znany jako interferometr na Plateau de Bure. Dzięki temu sprytnemu połączeniu anten, radioteleskopy działają jak jedno, znacznie większe urządzenie radiowe. Radioteleskopy tego typu są w stanie wykrywać promieniowanie charakterystyczne dla różnych rodzajów cząsteczek, w tym tlenku węgla (CO). Kiedy cząsteczki poruszają się w stronę obserwatora lub oddalają się od niego, charakterystyczne promieniowanie jest przesunięte w kierunku nieco dłuższych lub krótszych długości fal (efekt Dopplera). Dzięki temu astronomowie są w stanie śledzić ruch gazu wzdłuż linii widzenia.
Obserwacje z 2009 roku potwierdziły, że wypływ gazu z młodej gwiazdy był faktycznie w ruchu, zgodnym z oczekiwaniami dla wirującego wiatru dyskowego, który odpowiada za usuwanie momentu pędu. Niemniej jednak, te obserwacje nie dostarczyły wystarczającej ilości szczegółowych informacji umożliwiających ocenę odległości między gwiazdą a miejscem, z którego wiatr został wystrzelony z dysku – istotnej cechy, która określa ilość momentu pędu przenoszonego przez strumień gazu.
Obserwując wirujące wiatry dyskowe
Najnowsze wyniki, które zostały właśnie opublikowane, potwierdzają tę tezę. Launhardt i współpracownicy przeprowadzili obserwacje z dużo większą rozdzielczością kątową. Wykorzystali konfigurację obserwatorium Plateau de Bure, w której anteny radiowe zostały rozmieszczone znacznie dalej od siebie niż w przypadku wcześniejszych obserwacji. Dodatkowo, korzystali z zaawansowanego modelu fizyko-chemicznego dysku, co pozwoliło na odróżnienie wkładu pochodzącego od samego dysku od wkładu pochodzącego od wirującego wiatru dyskowego. Dzięki tym wszystkim czynnikom astronomowie byli w stanie określić wymiary stożkowego wypływu. W pobliżu dysku, dolny koniec stożka ma promień około 1,5 razy większy niż odległość między Ziemią a Neptunem – jest to wystarczająco dużo, aby wirujący wiatr dyskowy przenosił znaczną ilość momentu pędu! Co więcej, po raz pierwszy te wymiary zostały bezpośrednio określone na podstawie (zrekonstruowanych) obrazów.
Dzięki tym pomiarom, potwierdzono nasze argumenty: wirujący wiatr dyskowy może rzeczywiście rozwiązać większość problemów związanych z momentem pędu protogwiazd. Dodatkowo, Launhardt i współpracownicy byli w stanie porównać swoje pomiary z pośrednimi rekonstrukcjami wymiarów wiatru dyskowego w dziewięciu innych młodych układach gwiazda-dysk, które zostały opublikowane od czasu artykułu z 2009 roku. To porównanie wykazało wyraźną tendencję do wzrostu średniego promienia obszaru, z którego pochodzi wiatr dyskowy: na wczesnym etapie, przez pierwsze dziesiątki tysięcy lat, wiatry dyskowe są bardzo skoncentrowane, podczas gdy po około milionie lat stają się znacznie bardziej rozproszone.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
