Jak powstają gwiazdy? Naukowcy rozwiązują tajemnicę

Naukowcy od lat badają powstanie Drogi Mlecznej – czy precyzyjniej – powstawanie gwiazd w jej obrębie. Przez 50 lat szacowano, że tamtejsze gwiazdy powstawały znacznie szybciej niż obecnie. Czy naukowcom wreszcie uda się rozwiązać zagadkę? Co mówią najnowsze odkrycia w kosmosie?

Powstawanie gwiazd – czy naukowcy się mylą?

Nie znamy wszystkich zjawisk i reakcji, jakie zachodzą we Wszechświecie. W astrofizyce i kosmologii naukowcy posługują się więc pewnymi modelami, które powstają z dostępnej nam wiedzy, matematycznych uproszczeń, na które jesteśmy skazani oraz pewnych założeń. To jednak bardzo często skutkuje rozbieżnościami między danymi obliczeniowymi a tym, co jesteśmy w stanie zaobserwować.

Jak duże mogą być takie rozbieżności? Np. w przypadku powstawania nowych gwiazd w Drodze Mlecznej liczby, o których mówią naukowcy mogą różnić się między sobą nawet ponad 150-krotnie! Na szczęście nauka daje badaczom narzędzia, dzięki którym w końcu, po blisko 50 latach zmagań, będą w stanie te rozbieżności zredukować.

Jak powstają gwiazdy w Drodze Mlecznej?

W największym skrócie, gwiazdy w naszej galaktyce powstają, gdy ziemne obłoki molekularne kłębią się i zapadają, tworząc gęste jądra. Każdego roku w Drodze Mlecznej (galaktyce, w której znajduje się m.in. nasz Układ Słoneczny) od 1,65 do 1,90 masy słonecznej gazu przekształca się w gwiazdy. Dotychczasowe prace teoretyczne przedstawiały jednak, że ta liczba różni się 150-180-krotnie. 

Fizycy teoretyczni sugerowali, że pola magnetyczne i masywne gwiazdy przekazujące energię do swoich obłoków macierzystych, przez co miałoby dochodzić do hamowania tempa formowania się gwiazd w Drodze Mlecznej. Takie rozwiązanie wymagało jednak założenia nierealistycznie silnych pól magnetycznych i istnienia stałych, rozległych turbulencji. Ten problem formowania się gwiazd nie jest tylko problemem, który występuje przy opisie zjawisk w Drodze Mlecznej. Badania naukowców wykazały, że modele przewidują szybsze tempo formowania się gwiazd także w innych, sąsiednich galaktykach.

Problemy w przewidywaniu tworzenia się gwiazd Drogi Mlecznej

Zespół naukowców pod kierownictwem Neala Evansa (University of Texas at Austin) przeanalizował proces powstawania nowych gwiazd. Rozważał dwie główne wielkości, wpływające na tempo ich formowania się w galaktyce: masy obłoków molekularnych oraz to, jak wydajnie tworzą one gwiazdy.

Masa obłoku molekularnego wpływa częściowo na to, czy jest on związany grawitacyjnie i jak długo potrwa jego zapadnięcie się. Ponieważ nie możemy nanieść obłoków molekularnych na skalę, a składają się one głównie z trudnego do wykrycia wodoru molekularnego, dla określenia ich całkowitej masy, mierzymy emisję z innych cząsteczek obecnych w obłokach. Naukowcy wykorzystali mapy emisji tlenku węgla w Drodze Mlecznej do oszacowania mas obłoków gwiazdotwórczych. W tym celu zastosowali współczynnik konwersji, który zależy od obfitości metali (pierwiastków cięższych od helu) i zmienia się wraz z odległością od galaktycznego centrum.

Zobacz też: Kosmiczne kwazikryształy na Ziemi

W kręgu zainteresowań naukowców znalazły się także zagadnienia dotyczące poprawy precyzji szacowania wydajności formowania się gwiazd. W tym celu podjęto się dokładnej analizy tej części gazu w obłoku gwiazdotwórczym, która ostatecznie tworzy gwiazdy. Wcześniejsze proste modele powstawania gwiazd zakładały, że wszystkie związane grawitacyjnie obłoki zostaną w całości przekształcone w gwiazdy, podczas gdy te, które nie są związane, nie utworzą żadnych. Natomiast najnowsze badania wykazują, że wydajność formowania się gwiazd jest różna dla różnych obłoków. Naukowcy opracowali model, w którym turbulencje, wysokoenergetyczne promieniowanie nowo powstałych gwiazd oraz energia dostarczana przez supernowe, wpływają na wydajność formowania się gwiazd.

Proponowane rozwiązanie

Bazując na wartościach wejściowych, które pochodzą z obserwacji, naukowcy oszacowali tempo formowania się gwiazd w Drodze Mlecznej. Mieści się on w przedziale 0,50-5,93 masy Słońca rocznie, co pokrywa się z obserwowanym zakresem 1,65-1,90. Najnowsze badania pokazują, że niedoszacowane powolne tempo formowania się gwiazd w Drodze Mlecznej może być w dużej mierze rozwiązane poprzez uwzględnienie wpływu metaliczności na obliczanie masy obłoków molekularnych i dokładniejsze określenie wydajności formowania się gwiazd.

Naukowcy przewidują, że dalsze modelowanie i przyszłe badania obłoków gwiazdotwórczych w poszukiwaniu linii emisyjnych z innych cząsteczek i związków pomogą nam w zrozumieniu procesów gwiazdotwórczych Drogi Mlecznej i sąsiadujących z nią galaktyk.

Źródła:

https://www.urania.edu.pl/wiadomosci/rozwiazywanie-tajemnicy-formowania-sie-gwiazd

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6427

https://aasnova.org/2022/04/25/solving-a-fifty-year-star-formation-mistery/

Autor

Michał Borek

Interesuję się zagadnieniami z zakresu kosmologii, kognitywistki, neuronauk, sztucznej inteligencji i filozofii. Ukończyłem kierunek Czystych Technologii Energetycznych na wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Obecnie jestem doktorantem filozofii przyrody i kosmologii. Moją wielką pasją są podróże i góry (tak zimą, jak i latem).

Więcej od tego autora