Pierwsze gwiazdy w symulacjach

Wynik symulujacji powstawania pierwszych gwiazd. Kolor oznacza liczbową gęstość wodoru (czerwony oznacza dużą gęstość). Przedstawiony obszar to 200 x 200 jednostek astronomicznych.
Źródło: Greif et al. 2013
"Dark Ages" tzw. Wieki Ciemne to okres w historii Wszechświata trwający ok.  500 mln lat, gdy nie było gwiazd, a wszechobecny neutralny wodór powoli skupiał się w ogromne chmury.
Okres ten kończy się wraz z powstaniem pierwszych gwiazd, w których wnętrzach na skutek reakcji termojądrowych powstawały pierwiastki,  a  promieniowanie powoli jonizowało wodór i hel w otaczającym je ośrodku. Rozpoczęła się epoka wtórnej  jonizacji.

Wybuchając jako supernowe gwiazdy wzbogacały ośrodek o nowe, inne niż wodór i hel, pierwiastki. Choć wiemy, że powinny były istnieć, to nikt ich jeszcze nie zaobserwował. Za to od lat teoretycznie i poprzez symulacje próbuje się odkryć, zrozumieć i wytłumaczyc ich własności.

W symulacjach mieszanka ciemnej materii oraz wodoru zaczyna zapadać się powoli pod wpływem własnego ciężaru - jedna cząstka przyciąga drugą tworząc coraz gęstszy obłok. Jednak im większa gęstość, tym większe ciśnienie, które przeciwstawia się sile grawitacji. Na szczęście w centrum obłoku powstaje molekularny wodór, który jest wydajnym źrodłem chłodzenia - molekuły H2 wypromieniowują energię i obłok kolapsuje do coraz mniejszego, gęściejszego stanu. W końcu jest tak gęsto i gorąco, że zaczynają zachodzić reakcje termojądrowe - tym samym powstaje gwiazda.

W symulacjach problelem jest skala i rozdzielczość - chcemy objąć  symulacjami jak największy obszar i mieć wgląd w jego detale. Pierwotny obłok materii jest ogromy, a następnie jego fragmenty kolapsuja do bardzo małych (w skali kosmicznej) rozmiarów. Śledzenie dalszych etapów w małej skali wymaga bardzo
dużej rozdzielczości - pojedynczy piksel powinien mieć jak najmneijszy rozmiar, a jednocześnie chcemy mieć takich pikseli jak najwięcej - symulacje takie zajmują mnóstwo czasu i przestrzeni dyskowej.
 
Astronomowie z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics stworzyli nowy algorytm, który śledzi powstawanie gwiazd od rozległych rzadkich obłoków wodoru aż po skalę rzedu kilkudziesięciu jednostek astronomicznych (1 AU to odległość  Ziemia-Słońce). Wyniki symulacji pozwoliły na wysnucie wniosku, że pierwotny obłok, po wstępnym kolapsie, może ustabilizować się na pewien czas i dopiero później ulec fragmentacji na mnijsze pod-obłoki , z których powstaną gwiazdy. Oznacza to, że skala czasowa tworzenia pierwszych gwiazd może być dłuższa niż pierwotnie zakładano.

Artykuł: "On the Operation of the Chemothermal Instability in Primordial Star-Forming Clouds," Thomas H. Greif, Volker Springel, and Volker Bromm, MNRAS 434, 3408,  2013


Karolina Zawada | Źródło: phys.org

Liczba odsłon: 1999