Turbulencia a születő csillagok körül

Egy új számítógépes szimuláció szerint egy születő csillag tömege - ezáltal életútja és élettartama is - már a legelején eldől. A környezetében uralkodó turbulenciák miatt a csillag később már nem tud anyagot vonzani magához.

A csillagok hideg és nagy tömegű csillagközi felhők (molekulafelhők) zsugorodásával alakulnak ki. Ennek keretében először kisebb csomók keletkeznek a nagy felhőben, majd ha ezek sűrűsége és tömege elég nagy, saját gravitációs vonzásuk miatt folytatják tovább az összehúzódást. A folyamat egészen addig zajlik, amíg egy-egy csillag ki nem alakul minden csomóban.

Precíz magyarázat azonban egyelőre nem létezik a csillagközi felhők fejlődésére. A viselkedésüket leíró modelleknek a csillagok széles tömegskáláját, a kettős és többszörös csillagok létét is meg kell indokolniuk. Emellett arra is választ kell adniuk, milyen kölcsönhatásba kerülnek a születő csillagok egymással, és miként marad meg körülöttük az anyagkorong, amelyből később bolygók keletkezhetnek.

Két elmélet

A csillagok keletkezésének kezdeti szakaszára két elmélet látott napvilágot. A régebbi teória, a gravitációs kollapszus (azaz gravitációs hatásra történő összeomlás) és fragmentáció (darabokra töredezés) elmélete szerint a felhők zsugorodásukkor kisebb csomókra bomlanak szét. Mivel az egyes csomók eltérő tömegűek, eltérő csillagok születnek majd belőlük. Ez esetben egy-egy csillag tömege a zsugorodó csomó kialakulásakor dől el. Az egyes csomók fejlődésük során újra szétdarabolódhatnak, kettős és többszörös csillagokat létrehozva.

Ez a modell azonban nehezen magyarázza a nagy tömegű csillagok kialakulását. A problémát az okozza, hogy a viszonylag nagy tömegű, születő égitest (protocsillag) erős sugárzásának el kellene"fújnia" a zsugorodó csomó külső burkait. Ha valóban ez történik, miként születnek akár 100 naptömegű csillagok is?

Az 1990-es években brit kutatók egy másik elgondolással álltak elő. Eszerint a zsugorodó felhőben születő kisebb, kb. egy fényév átmérőjű csomók, zsugorodásuk során a környezetükből még sok anyagot vonzanak magukhoz, és "meghízva" érik el végső tömegüket. Ebben az esetben tehát az anyagcsomóból, kezdeti tömegénél lényegesen nehezebb égitest is kialakulhat - eredeti tömegének akár 100, vagy 1000-szeresérét is elérheti. Ám ez az elmélet is sok nehézséggel szembesül: többek között a kis tömegű anyagcsomóknak, amelyekből később barna törpék ("félresikerült" csillagok) keletkeznek, ki kellene lökődniük a csillagkeletkezési régiókból, és emiatt el kellett volna veszíteniük anyagkorongjukat - ilyeneket egyre többet találnak napjainkban.

Új számítógépes szimulációk

A Kalifornia Egyetem (Berkeley) és a Lawrence Livermore National Laboratory munkatársai a fenti két teóriát vizsgálták nagy teljesítményű számítógépeken futtatott szimulációkkal. Mark R. Krumholz, Chris McKee és Richard Klein olyan programot írt, amelyben a zsugorodó csillagközi felhők és a bennük kialakuló anyagcsomók kölcsönhatását tanulmányozták, különös tekintettel a gázanyagban létrejövő turbulenciákra. Egy San Diegóban található, 256 párhuzamosan üzemelő processzort tartalmazó, szuper számítógépen, közel két hét alatt futtatták le szimulációjukat, majd több alkalommal megismételték.

Eredményeik alapján a kis zsugorodó csomók környezetében, olyan erős a gáz turbulenciája, hogy megakadályozza az újabb anyag hozzáépülését a zsugorodó csomóhoz. Eszerint tehát, amint egy kisebb csomó zsugorodni kezd a molekulafelhőben, az akkor kialakult tömegét őrzi meg - azaz későbbi tömege és várható életútja már ekkor eldől.

Példa a csillagkeletkezési régiókra: az NGC 1333 jelű csillagközi felhő a Perseus csillagkép irányában, 1000 fényévre tőlünk (a Spitzer-űrteleszkóp inftravörös felvétele). A csillagok két csomót alkotnak: a rózsaszín felhőben, balra fent egy északi halmazt, középtájon pedig egy másik csoportot. Utóbbinál a sok zöldes filamentet (szálas anyagcsomókat) a fiatal csillagoktól kiáramló anyagsugarak és a környező felhő ütközésének lökéshullám-frontjai alkotják. A kép nagyméretű változatának letöltése (fotó: NASA/JPL-Caltech/R. A. Gutermuth (Harvard-Smithsonian CfA))

A kutatók ugyanakkor arra is felhívták a figyelmet, hogy a kisebb molekulafelhőkben létrejövő fragmentáció után, sokkal gyengébbek a turbulenciák. Ott elméletileg tehát még működhet az a folyamat, amelynek keretében a környezetükből újabb anyagot vonzanak magukhoz a zsugorodó csomók - de az ehhez szükséges környezet igen ritka lehet. A megfigyelt csillagkeletkezési régiók többségében ennél és a modell által előrejelzettnél is erősebb turbulenciák várhatók. A helyzetet tovább bonyolítja, hogy a már kialakult nagy tömegű égitestek erős sugárzásukkal befolyásolják a gázanyag viselkedését a régióban.

Az új modell arra is utal, hogy a turbulenciák nélkül sokkal gyorsabban születnének a csillagok, mint azt megfigyeljük. A gázanyag kavargó mozgása tehát a szimulációban és a való életben is elnyújtja az égitestek kialakulásának időtartamát - ezzel is alátámasztva az új modell működőképességét.