Tre forskare vid Niels Bohr Institute (NBI), Köpenhamns universitet, har genomfört omfattande datorsimuleringar relaterade till stjärnbildning. De drar slutsatsen att de nuvarande idealiserade modellerna saknas när det gäller att beskriva detaljer i stjärnbildningsprocessen. "Förhoppningsvis kan våra resultat också bidra till att kasta mer ljus över planetbildningen, " säger Michael Küffmeier, astrofysiker och chef för forskargruppen.

För att förklara grunderna för stjärnbildning, man kan använda enkla modeller – enkla geometriska former som är lätta att förstå och relatera till.

Men trots det – även när så enkla modeller kan förklara de grundläggande principerna i arbetet, de kanske fortfarande saknas när det kommer till kvantitativa detaljer - vilket är precis vad tre forskare från Center for Star and Planet Formation vid NBI visar i en vetenskaplig artikel som just publicerats i The Astrofysisk tidskrift .

Forskarna genomförde datorsimuleringar av bildandet av hundratals stjärnor, varav nio noggrant utvalda stjärnor, representerar olika regioner i rymden, valdes ut för mer detaljerad modellering, förklarar astrofysikern Michael Küffmeier, chef för projektet – som också är en stor del av hans doktorsexamen. avhandling.

Küffmeier planerade och genomförde forskningen i samarbete med NBI-kollegorna professor Åke Nordlund och universitetslektor Troels Haugbølle – och simuleringarna visar att stjärnbildningen verkligen är starkt påverkad av lokala miljöförhållanden i rymden, säger Küffmeier:"Dessa förhållanden styr t.ex. storleken på protoplanetära skivor, och den hastighet med vilken stjärnbildningar äger rum - och ingen vetenskaplig studie har någonsin visat detta tidigare."

Datorer som arbetar dygnet runt

Enligt den klassiska modellen, en stjärna bildas när en förstellarkärna – en rundaktig ansamling som innehåller cirka 99 procent gas och 1 procent damm – kollapsar på grund av "övervikt." en stjärna bildas i mitten av kollapsen – följt, som ett resultat av vinkelmomentum, genom att det bildas en skiva av gas och damm som roterar runt stjärnan..

"Detta är stjärnans protoplanetariska skiva, och planeter tros bildas i sådana skivor – planeten jorden är inget undantag, säger Michael Küffmeier.

Men hur lyckades NBI-forskarna detaljera denna modell? Svaret är nära kopplat till state-of-the-art datorsimuleringar:Du matar några av de mest potenta datorerna som finns med en nästan outgrundlig "last" av information - och låter dem mala dygnet runt i månader. Och då, Michael Küffmeier säger, du kanske har turen att kunna testa även etablerade koncept:

"Vi började med att studera steget före de prestellära kärnorna. Och när du har en chans på det via datorsimuleringar, du kommer oundvikligen att behöva ta itu med gigantiska molekylära moln – som är regioner i rymden täta av gas och damm; regioner, där stjärnbildning äger rum."

Ett mycket voluminöst moln

Ett gigantiskt molekylärt moln kallas "jätte" av en anledning – ta bara det gigantiska molekylära molnet som de tre NBI-forskarna studerade. Om du tittar noga på detta moln – och av beräkningsskäl bestämmer dig för att undersöka det genom att "klämma" det i en kubisk modell, vilket är vad forskarna gjorde – du slutar med en kub som mäter 8 miljoner gånger avståndet mellan solen och jorden på alla sidor. Och om du utför den multiplikationen, slutresultatet blir fler siffror än de flesta hjärnor till och med vagt kan förstå, eftersom avståndet från solen till jorden är 150 miljoner kilometer.

NBI-forskarna tittade noga på nio olika stjärnor i detta gigantiska molekylära moln – "och i varje fall samlade vi ny kunskap om bildningen av just denna stjärna, " säger Michael Küffmeier:

Stjärnbildning i ett gigantiskt molekylärt moln. De små vita prickarna representerar stjärnor i datorsimuleringen.

"Eftersom vi arbetade i olika regioner av ett gigantiskt molekylärt moln, resultaten från de undersökta stjärnorna avslöjade skillnader i t.ex. skivbildning och skivstorlek som kan hänföras till påverkan som utövas av lokala miljöförhållanden. I denna mening har vi gått bortom den klassiska förståelsen av stjärnbildning."

NBI-teamet hade tillgång till superdatorer – ett stort antal enstaka datorer kopplade i nätverk – några i Paris, och några i Köpenhamn på H.C. Ørsted Institutet vid Köpenhamns universitet. Och maskinerna sattes verkligen igång, säger lektor Troels Haugbølle, en av Michael Küffmeiers medförfattare:

"Dessa beräkningar var så omfattande att om du föreställer dig att simuleringarna som beskriver bildandet av bara en av stjärnorna skulle utföras på en enda bärbar dator, maskinen skulle behöva arbeta 24/7 under mer än 200 år."

Stöds av observationer

Baserat på datorsimuleringarna, de tre NBI-forskarna har särskilt studerat påverkan av magnetfält och turbulens – faktorer som anses spela viktiga roller i stjärnbildningen. Detta kan, tillägger Michael Küffmeier, vara en av anledningarna till att protoplanetära skivor är relativt små i vissa regioner av ett gigantiskt molekylärt moln:

"Vi kan se hur viktig miljön är för stjärnbildningsprocessen. Vi har alltså börjat på vägen för att göra realistiska, kvantitativa modeller för bildandet av stjärnor och planeter, och vi kommer att fortsätta gräva djupare i detta. En av de saker vi skulle vilja undersöka har att göra med damms öde i protoplanetära skivor – vi vill veta hur damm och gas separeras, så att planeter till slut kan bildas."

NBI-forskarna är nöjda med att deras datorsimuleringar verkar ha stöd av teleskopobservationer, från rymden och från marken – bland dessa, observationer utförda av det kraftfulla ALMA-teleskopet i norra Chile, säger Michael Küffmeier:"Detta är observationer som kvalitativt bekräftar våra simuleringar."

Det faktum att teleskopobservationerna "kvalitativt bekräftar" NBI-datorsimuleringarna innebär att de två datauppsättningarna inte på något nämnvärt sätt kolliderar eller motsäger varandra, förklarar Michael Küffmeier:"Ingenting som härrör från teleskopobservationerna motsäger vår huvudhypotes:att stjärnbildning är en direkt följd av processer som sker i större skala."

Forskarna förväntar sig att deras fortsatta datorsimuleringar kommer att bidra till en bättre förståelse av planetbildningen – genom att kombinera kunskap från NBI-simuleringarna med observationer utförda av ALMA såväl som det extremt avancerade rymdteleskopet James Webb som planeras att lanseras i oktober 2018.

"James Webb rymdteleskop kommer att kunna förse oss med information om atmosfären som omger exoplaneter - planeter utanför vårt solsystem som kretsar runt en stjärna, " säger Michael Küffmeier:"Detta, för, kommer att hjälpa oss att få en bättre förståelse av planeternas ursprung."