بادهای ستاره‌ای و ابرنواخترها آهنگ ستاره‌زایی و جریان‌های بیرون‌رونده را در کهکشان چگونه تنظیم می‌کنند؟

بادهای ستاره‌ای و ابرنواخترها آهنگ ستاره‌زایی و جریان‌های بیرون‌رونده را در کهکشان چگونه تنظیم می‌کنند؟

بین آهنگ تولید ستاره در کهکشان‌ها و فرآیند‌های بازخوردی ستاره‌ای(۱) ارتباط تنگاتنگی وجود دارد. بدون درنظرگرفتن بازخورد ستاره‌ای، تمامی گاز ماده‌ی بین ستاره‌ای(۲) می‌بایست سرد و چگال شده و در نهایت به ستاره تبدیل شود. درحالی‌که بازده واقعی ستاره‌زایی مشاهده‌شده چند درصدی بیش نیست. به علاوه مشاهدات رصدی جدید با تلسکوپ‌های بسیار قوی نشان می‌دهد که ماده‌ی بین ستاره‌ای، گازی است بسیار متلاطم(۳)، چندفازی و پر از ساختار در تمام بازه‌های فضایی قابل تفکیک. این‌ یافته‌ها تصویر ما را از ماده‌ی بین ستاره‌ای به کلی تغییر داده‌اند. سردترین و چگال‌ترین بخش‌های ماده‌ی بین ستاره‌ای، که ابر‌های مولکولی نامیده می‌شوند، می‌توانند تحت رمبش گرانشی تبدیل به ستاره شوند. ستاره‌های پرجرم (با جرم‌هایی بیش از ۸ جرم خورشید) قویاٌ بر ماده‌ی میان‌ستاره‌ای اطراف خود اثر می‌گذارند. در ابتدای عمر خود با تابش شدید فرابنفش و بادهای ستاره‌ای پرانرژی و در انتها با انفجار ابرنواختری. این فرآیند‌های بازخوردی در ابرهای مولکولی والد، آن‌ها را تجزیه و یونیزه می‌کنند، تلاطم‌های مافوق صوتی در آن‌ها ایجاد می‌کنند، و در نهایت باعث از بین رفتنشان از درون می‌شوند. در نتیجه، فرآیند‌های بازخوردی ستاره‌ای نقش مهمی در تعیین آهنگ زایش ستاره دارند و فهم بهتر ماده‌ی میان‌ستاره‌ای اهمیت بسزایی در مطالعات اخترفیزیکی دارد. یکی از پارامتر‌های مهم در این حوزه، فاکتور بارگزاری جرمی(۴) است. فرآیند‌های بازخوردی می‌توانند منجر به تولید باد‌هایی در ماده‌ی میان‌ستاره‌ای در مقیاس کهکشانی شوند. گاهی این بادها چنان قوی هستند که می‌توانند ماده‌ی میان‌ستاره‌ای را از دیسک کهکشان به بیرون پرتاب کنند که آن را جریان‌های بیرون‌رونده(۵) می‌نامند. بارگزاری جرمی، نسبت چگالی سطحی آهنگ جریان بیرون‌رونده‌ی گاز به چگالی سطحی آهنگ تولید ستاره است.

شکل ۱. تحول زمانی (از چپ به راست) چگالی ستونی گاز. چپ: شبیه‌سازی بدون فرآیند بازخوردی. در این مورد هیچ جریان بیرون‌رونده‌ای مشاهده نمی‌شود و کل گاز به صفحه‌ی میانی دیسک می‌رمبد. راست: شبیه‌سازی با باد ستاره‌ای ناشی از ستاره‌های پرجرم داخل خوشه‌های ستاره‌ای و بدون ابرنواختر.

شکل ۱. تحول زمانی (از چپ به راست) چگالی ستونی گاز. چپ: شبیه‌سازی بدون فرآیند بازخوردی. در این مورد هیچ جریان بیرون‌رونده‌ای مشاهده نمی‌شود و کل گاز به صفحه‌ی میانی دیسک می‌رمبد. راست: شبیه‌سازی با باد ستاره‌ای ناشی از ستاره‌های پرجرم داخل خوشه‌های ستاره‌ای و بدون ابرنواختر.

دینامیک ماده‌ی میان‌ستاره‌ای متأثر از شبکه‌ای پیچیده از پروسه‌های متنوع فیزیکی است که نه تنها هرکدام بر مشخصات ماده‌ی میان‌ستاره‌ای اثر می‌گذارند، بلکه برهم‌کنش‌های دو به دویشان هم می‌تواند غیرخطی باشد. بنابراین حصول یک مدل جامع از ماده‌ی میان‌ستاره‌ای نیازمند درنظرگرفتن تمامی این پروسه‌ها است (یعنی گرمایش، سرمایش، گرانش، برهم‌کنش‌های شیمیایی، میدان‌های مغناطیسی و غیره). پروژه‌ی سیلک (شبیه‌سازی چرخه‌ی زندگی ابرهای مولکولی(۶)) که از همکاری چندین مؤسسه‌ی پژوهشی و دانشگاهی به وجود آمده‌ است، بر آن است که تمامی مراحل چرخه‌ی زندگی ابرهای مولکولی را با استفاده از به‌روز‌ترین شبیه‌سازی‌های عددی بررسی کند. در چهارچوب این پروژه مقاله‌های مختلفی چاپ شده است که ما به آخرین آن‌ها می‌پردازیم. مؤلفان این مقاله اثر بادهای ستاره‌ای و ابرنواخترها را بر ماده‌ی میان‌ستاره‌ای به وسیله‌ی شبیه‌سازی هیدرودینامیکی شبکه‌ای کد فلش ۴(۷)بررسی کرده‌اند (رجوع شود به مقاله‌ی قبلی در رابطه با شبیه‌سازی کامپیوتری). برای این منظور بخشی از دیسک کهکشان با سایز ۵۰۰ کیلوپارسک مربع در ۵± کیلوپاسک (متقارن نسبت به صفحه‌ی دیسک) و چگالی سطحی ۱۰ جرم خورشید بر کیلوپارسک مربع در نظر گرفته شده است. معادلات به‌کاررفته، معادلات هیدرودینامیک مغناطیسی ایده‌آل هستند و به علاوه‌ شبیه‌سازی حاوی پروسه‌های زیر است:
. پتانسیل استاتیک برای مدل‌کردن گرانش ستاره‌های پیر در دیسک،
. خودگرانشی گاز میان‌ستاره‌ای،
. سرمایش تابشی و گرمایش انتشاری(۸) توسط یک میدان تابشی میان‌ستاره‌ای نرم(۹)،
. اثر (خود)محافظ(۱۰) گاز و غبار در مقابل تابش،
. یک شبکه‌ی شیمیایی برای ردگیری هیدروژن اتمی، هیدروژن یونیزه، هیدروژن مولکولی، مونوکسید کربن، و کربن یونیزه،
. ذرات نشستی(۱۱) که زایش و تحول ستاره‌‌های پرجرم را در خوشه‌های ستاره‌ای مدل‌سازی می‌کند، و
. باد‌های ستاره‌ای و یا بازخوردهای ابرنواختری ناشی از ذرات نشستی خوشه‌های ستاره‌ای.

شکل ۲. همانند تصویر قبلی. چپ: شبیه‌سازی با ابرنواختر و بدون بادهای ستاره‌ای. راست: شبیه‌سازی با هر دوی بادهای ستاره‌ای و ابرنواختر. در این مورد بادهای ستاره‌ای، ستاره‌زایی و جریان‌های بیرون‌رونده را کاهش می‌دهند.

شکل ۲. همانند تصویر قبلی. چپ: شبیه‌سازی با ابرنواختر و بدون بادهای ستاره‌ای. راست: شبیه‌سازی با هر دوی بادهای ستاره‌ای و ابرنواختر. در این مورد بادهای ستاره‌ای، ستاره‌زایی و جریان‌های بیرون‌رونده را کاهش می‌دهند.

مؤلفان در این مقاله نتایج شش شبیه‌سازی را ارائه کرده‌اند که به کمکشان، اثرات فرایند‌های بازخوردی مختلف بررسی شده است. برای نمونه‌ی مرجع، یک شبیه‌سازی با زایش خوشه‌های ستاره‌ای ولی بدون هیچ فرآیند بازخوردی انجام شده است. شبیه‌سازی‌های بعدی با حضور باد‌های ستاره‌ای، با حضور ابرنواخترها و یا با حضور هر دو صورت گرفته‌اند. نویسندگان این مقاله نشان داده‌اند که بادهای ستاره‌ای، برافزایش گاز را در خوشه‌های ستاره‌ای به محض تشکیل خوشه محدود می‌کنند و بدین وسیله آهنگ تولید ستاره را کاهش داده و منجر به تولید خوشه‌هایی با متوسط جرم کم‌تر (بین ۱۰۲ تا (۴٫۳)۱۰ جرم خورشید) می‌شوند. این بادها هم‌چنین باعث کوتاه‌ترشدن زمان تولید خوشه‌ها می‌گردند (بین (۳-)۱۰ تا ۱۰ میلیون سال). بدون بادهای شدید ستاره‌ای جرم خوشه‌ها به راحتی تا زمان وقوع اولین ابرنواخترها (۵ میلیون سال) رشد می‌کند. نتیجه‌ی شبیه‌سازی نشان می‌دهد که پرجرم‌ترین ستاره‌ها بیشترین داده‌ی انرژی بادی را تولید می‌کنند، درحالی‌که ستاره‌های نوع ب، بیش‌ترین داده‌ی انرژی ابرنواختری را فراهم می‌آورند. برای تولید جریان‌های بیرون‌رونده‌ی قابل ملاحظه (فاکتور بارگزاری بیش از ۱) می‌بایست بیش از ۵۰ درصد حجم نزدیک به میانه‌ی دیسک تا دمای بیش از ۳۰۰هزار کلوین داغ شود. آن‌ها نشان داده‌اند که بادهای ستاره‌ای نمی‌توانند به تنهایی این فاز را در ماده‌ی میان‌ستاره‌ای تولید کنند. تصاویر ۱ و ۲ تحول زمانی چگالی ستونی گاز تحت شبیه‌سازی را از چپ به راست نشان می‌دهند.

(۱) stellar feedback processes
(۲) Inter Stellar Medium
(۳) turbulent
(۴) mass loading
(۵) outflow
(۶) SILCC: Simulating the life cycle of molecular clouds
(۷) FLASH
(۸) radiative cooling and diffuse heating
(۹) smooth interstellar radiation field
(۱۰) shielding
(۱۱) sink particle

عنوان اصلی مقاله:The SILCC project: III. Regulation of star formation and outflows by stellar winds and supernovae
نویسندگان: A. Gatto, et al
این مقاله برای چاپ در نشریه‌ی MNRAS فرستاده شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: https://arxiv.org/abs/1606.05346
گردآوری: نسیم تنها

دسته‌ها: مقالات روز

درباره نویسنده

نسیم تنها

دانشجوی دکترای اخترفزيک نظری در دانشگاه کلن آلمان است. نسيم تحصيلات کارشناسی فيزيک را در دانشگاه تهران و تحصيلات کارشناسی ارشد خود را در دانشگاه کلن و در زمينه‌ی کيهانشناسی کوانتومی به انجام رساند. پروژه‌ی اصلی او بررسی بادهای کهکشانی با استفاده از شبيه‌سازی عددی صفحه‌ی کهکشان‌های راه شيری مانند است.

دیدگاه‌ها

  1. پویا
    پویا ۹ شهریور, ۱۳۹۵، ۱۷:۲۱

    سلام
    مطلبتون رو خواندم.
    سپاس از گزارش گویا و روانتون از این مقاله جالب آموزشی

    پاسخ به این دیدگاه

یک دیدگاه بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
بخش‌های لازم مشخص شده‌اند*