Stjernedannelse påvirkes af lokale forhold i rummet

Skal man søge at forklare, hvordan en stjerne dannes, har man brug for en model – og man er nødt til at anskueliggøre teorien med nogle billeder, bevægelser og geometriske størrelser, som folk kan forstå og forholde sig til.

Men selv om man gør det – og selv om fortællingen i store træk afspejler begivenhederne, som man antager de i sin tid udspillede sig - kan ’grundmodellen’ alligevel godt være lidt utilstrækkelig i detaljerne. Og det er lige præcis, hvad tre forskere fra Astrofysik og Planetforskning ved Niels Bohr Instituttet (NBI) viser i en artikel, der netop er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift The Astrophysical Journal.

Forskerne lavede computersimuleringer af flere hundrede stjerner – og udvalgte så ni, hvis dannelse de studerede i detaljer. Disse ni stjerner var udvalgt således, at de repræsenterede forskellige områder af rummet – og dermed også områder, hvor der i visse henseender eksisterer forskellige fysiske egenskaber, fortæller astrofysiker Michael Küffmeier. Han har stået i spidsen for projektet, som i øvrigt også udgør hoveddelen af hans ph.d. afhandling, og han har planlagt og udført forskningen i samarbejde med NBI-kollegerne professor Åke Nordlund og lektor Troels Haugbølle.

”Overordnet viser simuleringerne, at stjernedannelse i høj grad påvirkes af lokale forhold i rummet”, forklarer Michael Küffmeier: ”Det får blandt andet betydning for størrelsen af de protoplanetariske skiver, der dannes – men lokale forhold i rummet er også med til at bestemme, hvor hurtigt stjernedannelsesprocessen som sådan forløber. Og det har ikke tidligere været påvist rent videnskabeligt”.

Computere på overarbejde

Den klassiske forståelse af stjernedannelse taler om, at kugleformede ansamlinger af gas og en sjat støv – såkaldt præstellare kerner, der formodes at indeholde cirka 99 procent gas og 1 procent støv – på et tidspunkt bliver så tunge, at de falder sammen; de kollapser.

Efterfølgende dannes der, siger antagelsen videre, en stjerne i midten af sammenfaldet – og på grund af rotation, impulsmoment, dannes dernæst en gasskive.

”Denne skive er stjernens protoplanetariske skive, og man går ud fra, at alle planeter er dannet i protoplanetariske skiver”, siger Michael Küffmeier.

Men hvordan har NBI-forskerne nuanceret dette billede?

Svaret hænger tæt sammen med de computersimuleringer, det nu er muligt at gennemføre. For når man fodrer nogle af verdens stærkeste computere med de nødvendige og relevante forudsætninger – som det i sig selv kræver meget stor viden og analytisk sans at udvælge og nærmere definere

- og dernæst sætter supercomputerne på benhårdt overarbejde døgnet rundt i månedsvis, kan man få resultater der kan bruges til at efterprøve nærmest hævdvundne opfattelser. Og i dette tilfælde altså den klassiske model for stjernedannelse, forklarer Michael Küffmeier:

”Man kan sige, at vi har prøvet at studere det trin, som ligger før de kugler – de præstellare kerner – der ellers er ’trin 1’ i den klassiske fremstilling af stjernedannelse. Og når man ved hjælp af computersimuleringer prøver at gøre det, kommer man uundgåeligt til at beskæftige sig med gigantiske molekyleskyer – ’Giant Molecular Clouds’ – som er gas- og støvfyldte områder i rummet, hvor stjernedannelse finder sted”.

En meget omfangsrig sky

En gigantisk molekylesky bærer sit navn med rette. For den kan sagtens være så stor, at den – hvis man anskuer den som en kubeformet størrelse, hvilket er, hvad de tre Bohr-forskere har gjort af hensyn til beregningerne – vil kunne ’udfylde’ en terning, som på hver led måler 8 millioner gange afstanden mellem Solen og Jorden.

”Det giver et tal med enormt mange 0’er, eftersom der er omkring 150 millioner kilometer fra Solen til Jorden. Det er inden for sådan et område, i en gigantisk molekylesky, vi har kigget på ni forskellige stjerner via vores computersimuleringer – og i hvert tilfælde søgt at blive klogere på netop denne stjernes dannelsesproces”, forklarer Michael Küffmeier:

”Og fordi vi har arbejdet i forskellige områder af en gigantisk molekylesky, har vi ved at sammenligne resultaterne af beregningerne af de udvalgte stjerner kunnet konstatere forskelle i blandt andet skivedannelse og skivestørrelse, der kan tilskrives påvirkning af lokale forhold. Det er det, der gør, at vi kan sige, at vi har nuanceret den klassiske forståelse af, hvordan en stjerne dannes”.

De supercomputere, som udførte beregningerne, stod henholdsvis i Paris og i en kælder på H.C. Ørsted Instituttet på Københavns Universitet. I begge tilfælde var der i realiteten tale om et meget stort antal sammenkoblede computere, der i fællesskab kan løfte stærkt komplicerede og omfattende regneopgaver – og maskinerne blev virkelig sat på arbejde, fortæller en af Michael Küffmeiers medforfattere, lektor Troels

Haugbølle: ”De datamængder, der blev analyseret for at gennemføre computersimuleringerne, var så store, at det ikke rigtigt giver mening at sige, hvor mange tæt skrevne A-4 sider, inputtet svarede til. Men man kan beskrive det på en anden måde, som måske også i højere grad viser opgavens omfang – nemlig ved at forestille sig, at man skulle udføre regnestykket ved hjælp af en ganske almindelig bærbar computer. I det tilfælde skulle maskinen, for at gennemføre computersimuleringen af blot én af de ni stjerner, arbejde uafbrudt i lidt over 200 år ”.

Observationer peger i samme retning

De tre forskere fra NBI mener på baggrund af den nye undersøgelse at kunne se en række sammenhænge mellem magnetfelter og turbulens, som spiller en vigtig rolle i forbindelse med dannelse af stjerner. Og det kan for eksempel være medvirkende til, at de protoplanetariske skiver i bestemte områder af en gigantisk molekylesky bliver relativt små – eller at der sættes ekstra fart på stjernedannelsesprocessen, fortæller Michael Küffmeier:

”Vores simuleringer er et skridt i retning af mere realistiske, kvantitative modeller af stjerne- og planetdannelsen. Vi kan se, hvor vigtigt miljøet i en molekylesky er for processen bag stjernedannelse og dermed også planetdannelse. Det vil vi nu prøve at trænge endnu dybere ned i. Noget af det, vi gerne vil undersøge, handler om betydningen af støv i protoplanetariske skiver – og hvordan støv og gas til syvende og sidst adskilles, så planeter kan dannes. Her er en række processer, vi endnu ikke forstår”.

NBI-forskerne noterer med tilfredshed, at deres beregninger også synes at blive understøttet af teleskopobservationer – herunder observationer fra det meget avancerede ALMA-teleskop i det nordlige Chile, siger Michael Küffmeier: ”Det er observationer, der kvalitativt understøtter vores computersimuleringer”.

At teleskopobservationerne ”kvalitativt understøtter” de resultater, NBI-forskerne er nået frem til gennem computersimuleringer, betyder, at de to sæt informationer ikke på afgørende vis strider mod hinanden, forklarer Michael Küffmeier: ”Der er altså intet i forbindelse med teleskopobservationerne, som taler imod vores hovedantagelse, der siger, at stjernedannelse skal ses som en konsekvens af noget, som indtræffer på en større skala”.

De tre NBI-forskere forventer, at deres computersimuleringer på sigt også kan bidrage til en udvidet forståelse af planetdannelse. Det kan blandt andet ske ved at kombinere viden fra computersimuleringerne med observationer fra ALMA og fra det meget avancerede James Webb Space Telescope, der efter planen bliver opsendt i oktober 2018.

”James Webb Space Telescope vil blandt andet kunne give os nye informationer om for eksempel atmosfæren omkring exoplaneterne – altså de planeter, der kredser om en anden stjerne end Solen”, fortæller Michael Küffmeier:

”Det vil også kunne hjælpe os til en bedre forståelse af planeternes oprindelse”.

• Læs den videnskabelige publikation her:
  http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/bib_query?arXiv:1611.10360

Emner