Новое моделирование показывает поперечное сечение звезды и окружающего ее газового диска. На левом изображении, где молодая звезда слабо намагничена, можно увидеть газ, свободно вытекающий из окружающего его материального диска на поверхность протозвезды. На правом изображении материал течет вдоль силовых линий магнитного поля гораздо более четким потоком к полюсам звезды. Фото предоставлено: Астрономия и астрофизика (2024 г.). DOI: 10.1051/0004-6361/202451842.
Звезды рождаются в облаках газа и пыли, что затрудняет наблюдение за их ранней эволюцией. Исследователям из Чалмерса теперь удалось смоделировать, как звезда с массой Солнца поглощает материал из окружающего ее диска материала – процесс, называемый аккрецией.
Исследователи смоделировали четыре звезды с одинаковой массой, но с очень разными магнитными полями, чтобы увидеть, как это влияет на аккрецию. Исследование было опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysicals.
«Это одни из первых моделей с высоким разрешением, в которых мы изучаем среднюю стадию эволюции протозвезд, где находится большая часть массы звезды, и которые никогда раньше не изучались так подробно. Наши четыре моделирования охватывают два месяца жизни протозвезды и требуют вычислительных усилий, эквивалентных примерно 2 миллионам процессорных часов.» — говорит Брандт Гачес, астроном из Чалмерса.
Один из многих оставшихся без ответа вопросов в астрономии заключается в том, как новорожденные звезды – протозвезды – накапливают массу из окружающих их газовых облаков. Хотя новые и модернизированные телескопы улучшили свои возможности наблюдения, теоретических моделей этого процесса не хватает. Чтобы изучить первые дни – или, точнее, первые сотни тысяч лет – формирования звезд, Брандт Гачес и его коллеги решили создать детальное моделирование.
«Самым важным и фундаментальным вопросом было: как ранние протозвезды накапливают свою массу? Было предложено несколько моделей для разных типов протозвезд, но мы хотели начать с нуля и задаться вопросом: как различная напряженность магнитного поля для протозвезды с массой, близкой к Солнцу, повлияет на процесс аккреции? Меняет ли это фундаментально ситуацию или разница незначительна?» — говорит Гачес, научный сотрудник по космическому происхождению в Технологическом университете Чалмерса.
Сосредоточьтесь 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 точно не определена, а когда и как они развивают свои магнитные поля, точно не известно. Однако их магнитные поля должны играть важную роль в том, как они увеличивают свою массу и взаимодействуют со средой своего рождения.
Чтобы более внимательно изучить, как магнитные поля влияют на скорость аккреции, исследователи смоделировали четыре протозвезды, масса и гравитация которых аналогичны нашему Солнцу, но чьи магнитные поля находятся в диапазоне от 10 Гаусс (тоже примерно столько же, как у нашего Солнца) до 2000 Гаусс. являются Гауссом. Целью было выяснить, влияют ли и каким образом магнитные поля на то, как звезда накапливает материал из окружающего диска.
«В случае 10 Гаусс, когда протозвезда намагничена слабо, мы можем видеть, что газ свободно течет из диска прямо на поверхность протозвезды. Мы также можем наблюдать, что с полюсов звезды выбрасывается много материала.
«В сильно намагниченном случае (2000 Гаусс) магнитное поле протозвезды достаточно сильное, чтобы отрезать диск и остановить прямой поток газа. Вместо этого газ течет только вдоль силовых линий магнитного поля, соединяющих диск с протозвездой, в областях, близких к полюсам. Вещество предпочитает следовать линиям поля, создавая гораздо более определённый поток — материал практически не выходит из полюсов.» – говорит Гачес.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Внезапные всплески аккреции
Но даже несмотря на то, что в двух крайних точках процесс выглядит совершенно по-разному, большой разницы в количестве материала, накапливаемого звездами, нет — разница заключается в том, как материал накапливается в течение двух месяцев моделирования.
«В случае 10 Гаусс скорость аккреции сильно варьируется, колеблясь в 10 раз в часовом масштабе. Это происходит потому, что материал выпадает по существу хаотично.» — говорит Гачес.
По мере увеличения магнитных полей в моделировании 500 и 1000 Гаусс газовые потоки становятся более стабильными, поскольку магнитное поле помогает организовать поток и уменьшить изменчивость. Но при 2000 Гаусс изменчивость появляется снова, и совершенно по-другому. Большая часть вещества упорядоченно течет вдоль силовых линий к полюсам звезды.
Время от времени моделирование также показывает скопление материала, которое внезапно и нерегулярно падает прямо на звезду. Это связано с тем, что газ накапливается на магнитной границе и в конечном итоге проникает в нее, вызывая всплески аккреции.
«Мы ожидали более непрерывного потока материала вдоль силовых линий магнитного поля, поэтому эти всплески скорости аккреции были неожиданными.» — говорит Брандт.
«Удивительно, но моделирование также показало, что независимо от типа аккреции доля поверхности протозвезды, на которую выпадает большая часть газа, в среднем существенно не меняется.»
Далее следуют дальнейшие работы по физике звездообразования.
«Мы полагаем, что эти симуляции мотивируют дальнейшие наблюдения магнитных полей в протозвездах и что наши симуляции могут оказать большую помощь в интерпретации таких наблюдений процесса аккреции.»
Моделирование будет расширено в будущих работах, чтобы обеспечить более полный взгляд на физику звездообразования. Высокое разрешение и длительная временная шкала позволяют исследовать широкий спектр интересных явлений протозвездной физики.
«Одной из основных целей этого моделирования было создание большого набора данных для изучения физики звездообразования. Каждая модель имеет около 3000 отдельных изображений, распределенных за период в 60 дней. Это дает нам высокое временное и пространственное разрешение и позволяет собирать подробную информацию.»
Информация от: Технологическим университетом Чалмерса.
