Wirbel entstehen aus toten Zonen in Scheiben um sich neu bildende Sterne und helfen den Sternen, ihren Geburtsprozess abzuschließen.
Eine neue Theorie von Experten für Fluiddynamik an der University of California in Berkeley zeigt, wie „Zombie-Wirbel“ zur Geburt eines neuen Sterns beitragen.
Berichterstattung Anfang dieser Woche (20. August 2013) in der Zeitschrift Physische Überprüfungsschreiben, zeigt ein Team unter der Leitung des Computerphysikers Philip Marcus, wie Schwankungen der Gasdichte zu Instabilität führen, die dann die Wirbel erzeugt, die man benötigt, um Sterne zu formen.
Künstlerkonzept eines Braunen Zwergs, der vom Spitzer-Weltraumteleskop der NASA entdeckt wurde und von einer sich drehenden protoplanetaren Scheibe umgeben ist. Forscher von UC Berkeley haben ein Modell entwickelt, das zeigt, wie Wirbel dabei helfen, die Scheibe zu destabilisieren, so dass Gas nach innen in Richtung eines sich bildenden Sterns wandern kann. Mit freundlicher Genehmigung der NASA / JPL-Caltech
Astronomen akzeptieren, dass in den ersten Schritten der Geburt eines neuen Sterns dichte Gaswolken zu Klumpen zusammenfallen, die sich mit Hilfe des Drehimpulses in eine oder mehrere Frisbee-ähnliche Scheiben drehen, auf denen sich ein Protostern zu bilden beginnt. Damit der Protostern jedoch größer wird, muss die sich drehende Scheibe einen Teil ihres Drehimpulses verlieren, damit sich das Gas verlangsamen und nach innen zum Protostern dringen kann. Sobald der Protostern genug Masse hat, kann er die Kernfusion starten.
"Nach diesem letzten Schritt ist ein Stern geboren", sagte Marcus, Professor am Fachbereich Maschinenbau.
Unklar ist, wie die Wolkenscheibe ihren Drehimpuls abgibt, damit die Masse in den Protostern eindringen kann.
Destabilisierende Kräfte
Die führende Theorie der Astronomie stützt sich auf Magnetfelder als destabilisierende Kraft, die die Scheiben verlangsamt. Ein Problem in der Theorie war, dass Gas ionisiert oder mit einem freien Elektron geladen werden muss, um mit einem Magnetfeld zu interagieren. Es gibt jedoch Regionen in einer protoplanetaren Scheibe, die zu kalt sind, um eine Ionisierung zu bewirken.
"Aktuelle Modelle zeigen, dass die Scheibe sehr stabil ist, weil das Gas in der Scheibe zu kalt ist, um mit Magnetfeldern zu interagieren", sagte Marcus. "Viele Regionen sind so stabil, dass Astronomen sie als tote Zonen bezeichnen. Es ist daher unklar, wie sich die Scheibenmaterie destabilisiert und auf dem Stern zusammenbricht."
Die Forscher sagten, dass aktuelle Modelle auch Änderungen der Gasdichte einer Protoplanetenscheibe aufgrund ihrer Höhe nicht berücksichtigen.
Illustration der nahen Sternumgebung des Sterns Beta Pictoris. Dieses Bild basiert auf Beobachtungen, die mit dem hochauflösenden Goddard-Spektrographen an Bord des Hubble-Weltraumteleskops gemacht wurden. Bild von Dana Berry, Space Telescope Science Institute
"Diese Änderung der Dichte schafft die Öffnung für gewalttätige Instabilität", sagte Studienmitautor Pedram Hassanzadeh, der diese Arbeit als Ph.D. Student im Maschinenbau. Als sie die Dichteänderung in ihren Computermodellen berücksichtigten, entstanden 3-D-Wirbel in der protoplanetaren Scheibe, und diese Wirbel brachten mehr Wirbel hervor, was schließlich zu einer Störung des Drehimpulses der protoplanetaren Scheibe führte.
"Weil die Wirbel aus diesen toten Zonen entstehen und weil neue Generationen von riesigen Wirbeln über diese toten Zonen marschieren, bezeichnen wir sie liebevoll als" Zombie-Wirbel "", sagte Marcus. "Zombiewirbel destabilisieren das umlaufende Gas, wodurch es auf den Protostern fallen und seine Bildung vervollständigen kann."
Die Forscher stellen fest, dass Änderungen der vertikalen Dichte einer Flüssigkeit oder eines Gases in der gesamten Natur auftreten, von den Ozeanen - wo das Wasser in Bodennähe kälter, salziger und dichter ist als das Wasser in Oberflächennähe - bis zu unserer Atmosphäre, wo die Luft in höheren Lagen dünner ist . Diese Dichteänderungen führen häufig zu Instabilitäten, die zu Turbulenzen und Wirbeln wie Strudeln, Wirbelstürmen und Tornados führen. Jupiters Atmosphäre mit variabler Dichte beherbergt zahlreiche Wirbel, darunter den berühmten Großen Roten Fleck.
Verbinden Sie die Schritte, die zur Geburt eines Sterns führen
Dieses neue Modell hat die Aufmerksamkeit von Marcus 'Kollegen an der UC Berkeley auf sich gezogen, darunter Richard Klein, außerordentlicher Professor für Astronomie und theoretischer Astrophysiker am Lawrence Livermore National Laboratory. Klein und sein Kollege Christopher McKee, Professor für Physik und Astronomie an der University of California in Berkeley, waren nicht Teil der in Physical Review Letters beschriebenen Arbeit, arbeiten jedoch mit Marcus zusammen, um die Zombie-Wirbel einer weiteren Prüfung zu unterziehen.
Abbildung einer protoplanetaren Scheibe basierend auf Beobachtungen des Keck II-Teleskops. Bild mit freundlicher Genehmigung von W. M. Keck Observatory
Klein und McKee haben in den letzten zehn Jahren die entscheidenden ersten Schritte der Sternentstehung berechnet, die den Zusammenbruch riesiger Gaswolken zu Frisbee-ähnlichen Scheiben beschreiben. Sie werden mit Marcus 'Team zusammenarbeiten, indem sie die berechneten Geschwindigkeiten, Temperaturen und Dichten der Scheiben, die Protosterne umgeben, bereitstellen. Diese Zusammenarbeit ermöglicht es Marcus 'Team, die Bildung und den Marsch von Zombiewirbeln in einem realistischeren Modell der Scheibe zu untersuchen.
"Andere Forschungsteams haben Instabilitäten in protoplanetaren Festplatten aufgedeckt, aber ein Teil des Problems ist, dass diese Instabilitäten ständige Aufregung erforderten", sagte Klein. "Das Schöne an den Zombiewirbeln ist, dass sie sich selbst replizieren. Selbst wenn Sie mit nur wenigen Wirbeln beginnen, können sie schließlich die toten Zonen in der Scheibe bedecken."
Die anderen UC Berkeley-Co-Autoren der Studie sind Suyang Pei, Ph.D. Student, und Chung-Hsiang Jiang, Postdoktorand, in der Abteilung für Maschinenbau.
Die National Science Foundation unterstützte diese Forschung.
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