Hvirvler opstår fra døde zoner i diske omkring nyligt dannede stjerner og hjælper stjernerne med at færdiggøre deres fødselsproces.
En ny teori fra væskedynamikeksperter ved University of California, Berkeley, viser, hvordan "zombiehvirvler" hjælper med at føre til en ny stjerne.
Rapportering tidligere i denne uge (20. august 2013) i tidsskriftet Fysiske gennemgangsbrev, et team ledet af beregningsfysiker Philip Marcus viser, hvordan variationer i gastæthed fører til ustabilitet, som derefter genererer de boblebadlignende hvirvler, der er nødvendige for, at stjerner dannes.
Kunstnerbegreb af en brun dværg, opdaget af NASAs Spitzer-rumteleskop, omgivet af en roterende protoplanetær disk. UC Berkeley-forskere har udviklet en model, der viser, hvordan hvirvler hjælper med at destabilisere disken, så gas kan spiral indad mod en dannende stjerne. Billedet er tilladt af NASA / JPL-Caltech
Astronomer accepterer, at i de første trin af en ny stjerners fødsel kollapser tætte gasskyer i klumper, der ved hjælp af vinkelmoment spin i en eller flere frisbe-lignende diske, hvor en protostar begynder at dannes. Men for at protostaren skal vokse sig større, er den spindende disk nødt til at miste noget af sin vinkelmoment, så gassen kan bremse og spiral indad på protostaren. Når protostaren vinder nok masse, kan den starte med kernefusion.
”Efter dette sidste trin fødes en stjerne,” sagde Marcus, professor i Institut for Mekanik.
Det, der har været uklar, er nøjagtigt, hvordan skyddisken kaster sit vinkelmoment, så massen kan strømme ind i protostaren.
Destabiliserende kræfter
Den førende teori inden for astronomi er afhængig af magnetiske felter som den destabiliserende kraft, der bremser skiverne. Et problem i teorien har været, at gas skal ioniseres eller lades med et frit elektron for at interagere med et magnetfelt. Der er imidlertid regioner i en protoplanetær disk, der er for kolde til, at ionisering kan forekomme.
”Aktuelle modeller viser, at fordi gassen på disken er for cool til at interagere med magnetiske felter, er disken meget stabil,” sagde Marcus. "Mange regioner er så stabile, at astronomer kalder dem døde zoner - så det har været uklart, hvordan diskmateriale destabiliserer og kollapser på stjernen."
Forskerne sagde, at de nuværende modeller også undlader at redegøre for ændringer i en protoplanetær diskens gastæthed baseret på dens højde.
Illustration af det nærmeste stjernemiljø for stjernen Beta Pictoris. Dette billede er baseret på observationer foretaget med Goddard-højopløsningsspektrografen ombord på Hubble-rumteleskopet. Billede af Dana Berry, Space Telescope Science Institute
"Denne ændring i tæthed skaber åbningen for voldelig ustabilitet," sagde studieforfatter Pedram Hassanzadeh, der udførte dette arbejde som UC Berkeley Ph.D. studerende i maskinteknik. Da de stod for tæthedsændring i deres computermodeller, dukkede 3D-hvirvler op på den protoplanetære disk, og disse hvirvler skabte flere hvirvler, hvilket førte til en eventuel forstyrrelse af den protoplanetære disks vinkelmoment.
”Fordi hvirvlerne stammer fra disse døde zoner, og fordi nye generationer af gigantiske virvler marsjerer over disse døde zoner, omtaler vi kærligt dem som” zombiehvirvler, ”sagde Marcus. "Zombie-virvler destabiliserer den omløbende gas, som tillader den at falde ned på protostaren og afslutte dens dannelse."
Forskerne bemærker, at ændringer i en væskes eller gas vertikale tæthed forekommer i hele naturen, fra oceanerne - hvor vand nær bunden er koldere, saltere og tættere end vand nær overfladen - til vores atmosfære, hvor luft er tyndere i højere højder . Disse tæthedsændringer skaber ofte ustabiliteter, der resulterer i turbulens og hvirvler som boblebad, orkaner og tornadoer. Jupiters atmosfære med variabel densitet er vært for adskillige hvirvler, inklusive dets berømte Great Red Spot.
Forbinder trinnene, der fører til en stjerners fødsel
Denne nye model har fået opmærksomheden fra Marcus 'kolleger ved UC Berkeley, herunder Richard Klein, adjunkt professor i astronomi og en teoretisk astrofysiker ved Lawrence Livermore National Laboratory. Klein og stipendiatekspert Christopher McKee, UC Berkeley professor i fysik og astronomi, var ikke en del af det arbejde, der er beskrevet i Physical Review Letters, men samarbejder med Marcus for at sætte zombiehvirvler gennem flere test.
Illustration af en protoplanetær disk baseret på observationer fra Keck II-teleskopet. Billedet med tilladelse fra W. M. Keck Observatorium
Klein og McKee har arbejdet i det sidste årti med at beregne de afgørende første trin i stjernedannelse, som beskriver sammenbruddet af gigantiske gasskyer i frisbe-lignende diske. De vil samarbejde med Marcus 'team ved at give dem deres beregnede hastigheder, temperaturer og densitet på diske, der omgiver protostarer. Dette samarbejde gør det muligt for Marcus 'team at studere dannelsen og marchen af zombiehvirvler i en mere realistisk model af disken.
”Andre forskerteam har afsløret ustabiliteter i protoplanetære diske, men en del af problemet er, at disse ustabiliteter krævede kontinuerlige agitationer,” sagde Klein. "Det gode ved zombiehvirvlerne er, at de replikerer sig selv, så selv hvis du starter med bare et par hvirvler, kan de til sidst dække de døde zoner på disken."
De andre UC Berkeley-medforfattere til undersøgelsen er Suyang Pei, Ph.D. studerende og Chung-Hsiang Jiang, postdoktorisk forsker, i Institut for Mekanik.
National Science Foundation var med til at støtte denne forskning.
via UC Berkeley