Як турбулентні потоки сприяють формуванню зірок

Явище турбулентності, тобто хаотичного руху газів та рідин на високій швидкості, добре відоме на Землі. Проте існує воно і в космосі. Зокрема, науковці вивчають його у холодних газопилових хмарах, де відбувається народження зір.

У літаку повітряні потоки, як на малих, так і на значних відстанях, викликають турбулентність, що може спричинити коливання під час перельоту. Турбулентність більшого масштабу є критично важливою для процесу утворення зір у величезних молекулярних хмарах, які заповнюють простір Чумацького Шляху.

У нещодавньому дослідженні, опублікованому в журналі Science Advances, науковці провели симуляції, щоб вивчити взаємодію турбулентності з щільнісними структурами хмари. Ці згустки, відомі як кишені щільності, є місцями, де відбувається народження нових зір. Наприклад, наше Сонце виникло близько 4,6 мільярдів років тому в щільній ділянці хмари, яка згодом зазнала руйнування.

"Ми знаємо, що основним процесом, який визначає, коли і як швидко утворюються зорі, є турбулентність, оскільки вона породжує структури, які створюють світила, -- сказав Еван Сканнап'єко, професор астрофізики в Університеті штату Аризона і провідний автор дослідження. -- Наше дослідження розкриває, як формуються ці структури".

Гігантські молекулярні хмари сповнені випадкових турбулентних рухів, які викликані гравітацією, перемішуванням галактичних рукавів і вітрів, струменів і вибухів молодих світил. Ця турбулентність настільки сильна, що створює поштовхи, які спричиняють зміни густини у хмарі.

У процесі моделювання використовувалися специфічні точки, відомі як частинки-мітки, які пересікали молекулярну хмару та переміщалися разом із матеріалом. Під час свого руху ці частинки фіксують щільність тієї ділянки хмари, з якою вони взаємодіють, формуючи хронологію зміни щільності з часом. У дослідженні взяли участь вчені, серед яких Любін Пан з Університету Сунь Ятсена в Китаї, Маркус Брюгген з Гамбурзького університету в Німеччині та Ед Буї з Вассарського коледжу в Покіпсі, штат Нью-Йорк. Вони змоделювали вісім різних сценаріїв, кожен з яких характеризувався унікальним набором реалістичних властивостей хмари.

Дослідницька група з'ясувала, що зміни в прискоренні та сповільненні ударних хвиль мають значний вплив на траєкторію руху частинок. Коли ударні хвилі взаємодіють з газом високої густини, їх швидкість зменшується, тоді як при проходженні через газ низької густини, вони набирають швидкість. Це явище нагадує, як океанські хвилі набирають силу, коли натрапляють на мілководдя поблизу берега.

Коли частинка опиняється в ударній хвилі, навколишнє середовище стає більш щільним. Однак, оскільки ударні хвилі уповільнюються в цих зонах, коли скупчення досягають високої щільності, турбулентні потоки вже не можуть підвищити їхню щільність. Саме в таких областях з високою густиною, найімовірніше, виникають зірки.

На відміну від інших досліджень, які зосереджуються на молекулярних структурах щільності хмар, ця симуляція демонструє процес їх поступового формування протягом часу. Це надає дослідникам можливість краще усвідомити, де і яким чином можуть зароджуватися нові зірки.

Космічний телескоп NASA імені James Webb досліджує структуру молекулярних хмар. Він також досліджує хімію молекулярних хмар, яка залежить від історії газу, що моделюється в симуляціях. Нові вимірювання, подібні до цих, поглиблять наше розуміння процесу зореутворення.