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恒星的形成在天体物理学中是至关重要的,他们的模拟取得了巨大的成功

发布时间:2021-02-28 21:42编辑:小狐阅读: 484次 手机阅读

恒星是如何形成的?

我们知道它们是由被称为分子云的巨大结构组成的,而分子云本身是由星际介质(ISM)形成的。但是某些类型的恒星是如何以及为什么形成的呢?为什么在某些情况下,会形成像太阳这样的恒星,而不是红矮星或蓝巨星?

这是天文学的核心问题之一。这也是一个非常复杂的问题。

ISM是一个星系中太阳系之间的物质和能量。当ISM分裂成称为分子云的巨大气体云时,恒星的形成就开始了,分子云是恒星的前身。科学家们对星际湍流在碎片化过程中扮演的角色以及它如何影响最终形成的恒星类型存在疑问。

ISM与恒星有着复杂的关系。在恒星形成之后,它们最终会通过超新星、行星状星云和恒星风将物质返回ISM。这种在恒星和ISM之间的往返决定了一个星系的恒星形成速率和恒星形成寿命。

星际湍流在这一切中起着核心作用。一项新的研究模拟了ISM是如何形成分子云的。这项新研究的对这种湍流进行了迄今为止最高分辨率的超级计算机模拟。这项研究发表在《自然天文学》杂志上。

ISM中的湍流不仅决定了恒星的形成速率,也决定了形成恒星的类型。从这个意义上说,它也会影响行星的形成。所以,研究湍流直接与行星有关,甚至与生命有关。ISM在恒星之间的空间中不是均匀分布的。它的分布类似于烟雾的上升、下降。据该研究的称,湍流是理解气体如何碎片的关键。

恒星的形成在天体物理学中是至关重要的,他们的模拟取得了巨大的成功(图1)

图中显示了湍流模拟的一个截面。颜色表示密度相对于气体平均密度的对比。

它的紊流结构清晰可见。特别是,大量的激波锋面出现,可以通过密度从高密度到低密度的急剧变化辨认出来。ISM中的湍流与烟雾中的湍流有相似之处。两者中的大尺度湍流都倾向于向小尺度湍流级联。但这种比较并不完美,因为ISM非常脆弱,每平方厘米体积只有1到100个粒子。显然,烟的密度要大得多。

在稀薄的ISM中,湍流能量瀑布下降到比在烟雾中更小的尺度,不仅因为它有多稀薄,而且因为ISM有非常低的粘度。最终,这种级联将湍流运动的速度从超音速降低到音速。当湍流超过这个阈值时,气体云就从湍流主导变为重力主导。这一切发生的时间和方式决定了分子云稠密核的大小。正是这些稠密的内核导致了恒星的形成。

这张图片上显示的区域被称为北极星耀斑,这是小熊座的一个尘埃和气体区域,距离地球490光年。它显示了几个缠绕在一起的星际细丝,它们在太空中延伸了几十光年。从湍流主导到重力主导的转变是云中一个物理位置,尽管有理论预测,但过渡区的位置、形状和宽度都是未知的。

“物理过程是如此复杂,它们的相互作用只能在计算机模拟的帮助下进行研究,”该研究的合著者、来自海德堡大学的拉夫·克莱森教授说。

费德拉斯和他的同事们模拟了超音速和音速尺度两侧的湍流。气体云内部湍流的动力学及其复杂,需要强大的计算能力来模拟。费德拉斯在一份新闻稿中解释说:“在我们的特殊模拟中,我们想要跟踪超音速和亚音速湍流级联,声级介于两者之间,我们必须在空间范围内解决至少四个数量级的问题。”

这是研究团队模拟的截图根据研究小组的说法,他们的模拟取得了巨大的成功,证实了理论预测。他们能够找到超音速和音速之间的过渡区域的位置,并且能够量化它的宽度和形状。他们还发现,这种转变并没有清晰地描绘出来,而是发生在一个很大的范围内。

不仅如此,他们还将模拟结果与观测到的银河系气体云进行了比较。这些观察证实了他们的发现。

更广泛的天文学研究团体已经注意到了这个团队的工作。加州大学伯克利分校天文系的克里斯托弗·麦基和新泽西州普林斯顿高等研究院的詹姆斯·斯通在《自然天文学》杂志上发表了一篇关于这项研究意义的新闻和观点文章。

恒星的形成在天体物理学中是至关重要的,它不仅导致了在宇宙中观测到的恒星的不同范围,而且(间接地)导致了行星和黑洞的形成,重元素的产生,通过辐射、风和超新星的反馈来激发星际介质和环星系介质,甚至是星系的演化。

恒星的形成在天体物理学中是至关重要的,他们的模拟取得了巨大的成功(图2)

这是一张哈勃拍摄的船底座星云全景照片,展示了恒星风和来自大质量恒星的电离辐射对诞生恒星的分子云的湍流效应。由于分子云和恒星形成的时间尺度,它无法通过观测进行研究。它只能通过模拟来解决,模拟的结果可以与观测结果相比较,就像在这项新研究中一样。超音速湍流复杂而非线性的结构使得数值实验对于理解恒星形成的物理过程至关重要。

计算能力的快速发展使这些类型的模拟成为可能,对于研究这个问题的科学家来说,强大的计算机和同样强大的软件的发展正在推动理解的前沿。虽然能够充分利用这类的科学软件将是一个重大,但未来用计算方法调查天体物理学的广泛问题,包括恒星形成,仍然非常光明。

本文相关词条概念解析:

湍流

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时,流体分层流动,互不混合,称为层流,也称为稳流或片流;逐渐增加流速,流体的流线开始出现波浪状的摆动,摆动的频率及振幅随流速的增加而增加,此种流况称为过渡流;当流速增加到很大时,流线不再清楚可辨,流场中有许多小漩涡,层流被破坏,相邻流层间不但有滑动,还有混合。这时的流体作不规则运动,有垂直于流管轴线方向的分速度产生,这种运动称为湍流,又称为乱流、扰流或紊流。

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