Interakcje pól magnetycznych i grawitacji w Mgławicy Orion a powstawanie gwiazd

Włókno w kształcie całki, dwie gromady nad włóknem oraz obłok L1641 nieco niżej. Zdjęcie polewej przedstawia mapę gęstości złożoną z danych s Kosmicznego Teleskopu Herschel. Zdjęcie po prawej to zdjęcie w podczerwieni wykonane przez Kosmiczny Teleskop WISE. Zdjęcie w środku stanowi połączeniu obu tych zdjęć. Źródło: A.M. Stutz ?MPIA
Włókno w kształcie całki, dwie gromady nad włóknem oraz obłok L1641 nieco niżej. Zdjęcie polewej przedstawia mapę gęstości złożoną z danych s Kosmicznego Teleskopu Herschel. Zdjęcie po prawej to zdjęcie w podczerwieni wykonane przez Kosmiczny Teleskop WISE. Zdjęcie w środku stanowi połączeniu obu tych zdjęć. Źródło: A.M. Stutz ?MPIA

W przestrzeni kosmicznej bezustannie powstają gwiazdy. Czasami jednocześnie powstają całe gromady gwiazd – i to w stosunkowo krótkim czasie. Amelia Stutz oraz Andrew Gould z Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu zaproponowali nowy mechanizm tłumaczący tak szybkie ich powstawanie. Naukowcy przyjrzeli się dokładniej włóknom gazu i pyłu, m.in. takim jak dobrze znana Mgławica w Orionie.

Powstawanie gwiazd to stosunkowo prosty proces: należy wziąć bardzo chłodny obłok składający się z wodoru dodać odrobinę pyłu i pozostawić resztę naturze. W ciągu zaledwie kilku milionów lat, wystarczająco chłodne obszary ulegną kolapsowi pod własną grawitacją i zamienią się w nowe gwiazdy.

Rzeczywistość jest jednak nieco bardziej skomplikowana. Szczególnie istotny jest fakt, że znamy dwa osobne procesy powstawania gwiazd. W konwencjonalnych, mniejszych obłokach molekularnych może powstać jedna lub kika gwiazd – zanim gaz ulegnie rozproszeniu w ciągu około trzech milionów lat. Większe obłoki  mogą jednak przetrwać nawet dziesięć razy dłużej. W tych obłokach jednocześnie powstają całe gromady gwiazd oraz wiele bardzo masywnych gwiazd.

Dlaczego zatem w ciągu tych trzydziestu milionów lat powstaje tak dużo gwiazd? Z perspektywy astronomii, to bardzo krótki okres czasu. Większość prób wytłumaczenia opiera się o swego rodzaju reakcję łańcuchową, w której powstawanie pierwszych gwiazd w obłoku prowokuje powstawanie kolejnych. Eksplozje supernowe najmasywniejszych (a tym samym najkrócej żyjących) gwiazd, które dopiero co powstały mogą być jednym z powodów, ponieważ fale uderzeniowe takich eksplozji sprężają materię w obłoku i prowadzą do powstania nowych gwiazd.

Amelia Stutz oraz Andrew Gould z Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu skupili się na innym mechanizmie uwzględniającym grawitację i pola magnetyczne. Aby przetestować swój pomysł dokładnie zbadali Mgławicę w Orionie znajdującą się 1300 lat świetlnych od nas. Jasnoczerwony obłok gazu o skomplikowanej strukturze to jeden z najlepiej poznanych obiektów naszego nieba.

Za początek rozważań Stutz oraz Gould przyjęli mapy rozkładu masy w strukturze znanej jako „włókno w kształcie całki”, której centralnym punktem jest właśnie Mgławica w Orionie. Naukowcy z Heidelbergu uwzględnili także wyniki badań nad polami magnetycznymi wokół i wewnątrz tego obiektu.

Dane wskazują, że pola magnetyczne oraz grawitacja mają mniej więcej taki sam wpływ na włókno. Opierając się na tej wiedzy astronomowie opracowali scenariusz, w którym włókno jest elastyczną falującą strukturą. Typowe modele formowania gwiazd opiera się z kolei na obłokach gazu zapadających się pod własną grawitacją.

Ważnym dowodem przemawiającym na korzyść nowej idei jest rozkład protogwiazd i młodych gwiazd wewnątrz i wokół włókna. Protogwiazdy są prekursorami gwiazd: nadal zapadają się pod własną grawitacją do momentu, kiedy w ich wnętrzu ciśnienie i temperatura osiągają takie wartości, że rozpoczynają się reakcje fuzji jądrowej. W tym momencie dopiero powstają nowe gwiazdy.

Protogwiazdy są na tyle lekkie, że mogą się unosić wraz z falującym w te i z powrotem włóknem. Młode gwiazdy są jednak dużo bardziej kompaktowe i zazwyczaj wypychane są przez falujące włókno i pozostają poza nim. Dzięki temu model tłumaczy to co faktycznie wskazują dane obserwacyjne: protogwiazdy znajdują się głównie w gęstej warstwie włókna, a młode gwiazdy zazwyczaj na zewnątrz włókna.

Powyższy scenariusz może stać się nowym mechanizmem, który tłumaczy powstawanie całych gromad gwiazd w krótkim okresie czasu (w skali astronomicznej). Obserwowane położenie gromad gwiazd  wskazują, że włókno o kształcie całki pierwotnie rozciągało się dużo dalej na północ niż dzisiaj. Przez miliony lat, poczynając od północy powstały coraz to nowe gromady gwiazd. Każda nowa gromada gwiazd prowadziła do rozproszenia otaczającej jej mieszaniny gazu i pyłu.

Dlatego też teraz widzimy trzy gromady gwiazd znajdujące się wewnątrz i w pobliżu włókna: najstarsza gromada jest jednocześnie najbardziej oddalona od północnego końca włókna, druga jest nieco bliżej i wciąż otoczona jest resztkami włókna, a trzecia znajdująca się w centrum włókna dopiero powstaje.

Interakcje pól magnetycznych z grawitacją prowadzą do różnego typu niestabilności, wśród których są te znane z fizyki plazmy i które mogą prowadzić do powstawania kolejnych gromad gwiazd. Ta hipoteza opiera się na danych obserwacyjnych włókna. Nie jest to jednak pełen dojrzały model formowania się nowych gwiazd. Teoretycy muszą najpierw przeprowadzić odpowiednie symulacje, a astronomowie muszą wykonać dalsze obserwacje.

Źródło: Max Planck Society