شکل ۱: نقشه‌ی چگالی ستونی در ۰/۵ مگاسال بعد از شروع شبیه‌سازی برای فیلامان با تلاطم‌های اولیه‌ی مافوق صوتی. زیرساختارهای دراز در این نقشه به خوبی دیده می‌شوند.
اخترشناسان هنوز به مدل‌های جامع و مانعی برای توصیف فرآیند‌های کنترل‌کننده‌ی مراحل آغازین زایش ستاره دست نیافته‌اند. این در حالی است که درک صحیح این مراحل در فهم کلی بازدهی کم ستاره‌زایی و نرخ تولید ستاره در مقیاس کهکشانی بسیار مهم است. همچنین فهم پدیده‌های دیگری مثل منشا جرم ستاره‌ای و زایش سیستم‌های سیاره‌ای در گرو درک این فرآیندها هستند. در سال‌های اخیر ارتباط بین ساختارهای ماده‌ی میان‌ستاره‌ای سرد و زایش ستاره در مرکز توجه پژوهشگران این حوزه قرار گرفته‌است. به طور ویژه داده‌های بی‌نظیر رصدخانه‌ی فضایی هرشل از نزدیک‌ترین ابرهای ستاره‌زای راه شیری اطلاعات بی‌سابقه‌ای را از شرایط اولیه و مرزی ستاره‌زایی به ما داده اند. این تصاویر به ما نشان می‌دهند که در تمامی ابرهای میان‌ستاره‌ای ساختارهای رشته‌ای دیده می شوند که آنها را فیلامان می‌نامند. فیلامان‌های رصد شده در عین حال که ویژگی‌های مشترکی از خود نشان می‌دهند، مثل اندازه‌ی عرض مرکزیشان، با هم تفاوت‌هایی هم دارند. مثلا هسته‌های پیش‌ستاره‌ای فقط در چگال‌ترین فیلامان‌ها دیده می‌شوند. همه‌ی این‌ها باعث شده‌است که فیلامان‌ها و فرآیندهایی که آنها را تولید و دینامیکشان را تعیین می‌کنند جزو مباحث داغ مجامع پژوهشگران حوزه‌ی ستاره‌زایی و ماده‌ی میان‌ستاره‌ای شود.
شکل ۲: نقشه‌ی مولفه‌ی عمود بر صفحه‌ی سرعت یا سرعت راستای دید. خطوط مشکی کانتورهای چگالی در ۲، ۴، ۶، ۸ و ۱۰ × ۱۰به توان ۲۰- گرم بر سانتی‌متر مکعب هستند. در این تصویر مشاهده می‌شود که سرعت در ساختارهای چگال دراز تغییرات کوچک و نرمی دارد. نواحی با تغییرات سرعت زیاد یا نواحی با گاز رقیق هستند یا در هسته‌های چگال در حال رمبش.
این نتایج رصدی در موافقت با مطالعات نظری و شبیه‌سازی‌های عددی هستند که در دهه‌ی اخیر به صورت مداوم نشان می‌دادند که ماده‌ی میان‌ستاره‌ای می‌بایست در تمامی مقیاس‌ها به شدت دینامیک و رشته‌ای باشد و زایش ستاره ارتباط تنگاتنگی با فیلامان‌های خود‌گرانش دارد. به نظر می‌رسد که داده‌های هرشل و سایر داده‌های رصدی (مثل مطالعات خاموشی فروسرخ نزدیک(۱)) اشاره به سناریویی دو مر‌حله‌ای در زایش ستاره می‌کنند. در مرحله‌ی اول جریان‌های پرسرعت مافوق صوتی گاز را فشرده می‌کنند که نتیجه‌اش تولید شبکه‌ی رشته‌ای فیلامان‌ها در ماده‌ی میان‌ستاره‌ای می‌شود. سپس گرانش وارد عمل می‌شود. بر اثر شکل هندسی فیلامان‌ها، اختلالات کوچک و کوتاه‌بردِ چگالی زمان می‌یابند تا رمبش‌های موضعی ایجاد کنند که باعث تکه تکه شدن(۲) فیلامان‌ها می‌شود و منجر به تولید هسته‌های پیش‌ستاره‌ای(۳) و در نهایت پیش‌ستاره‌ها می‌شوند. با این وجود محتمل به نظر نمی‌رسد که ابتدا یک فیلامان تشکیل شود، روند برافزایشیش متوقف شود، به تعادل برسد و سپس شروع به تکه تکه شدن کند. در عوض فیلامان‌ها و اختلالات هم زمان در طی یک فرآیند برافزایشی غیر تعادلی تحول می‌یابند تا زمانی که فیلامان غیر پایدار شود و شروع به تکه تکه شدن کند. اخیرا گروهی از رصدگران در بررسی یک فیلامان ستاره‌زا(ال ۱۴۹۵ در صورت فلکی ثور) مشاهده کرده‌اند که این فیلامان را می‌توان به زیر‌فیلامان‌های از لحاظ سرعت همدوس(۴) به نام فیبر تجزیه کرد. بر اساس این نتایج این پژوهشگران پیشنهاد دادند که فیلامان‌ها اول به صورت فیبر تکه تکه می‌شوند و بعد فیبرها تکه تکه شدن را ادامه داده و هسته‌ها را تولید می‌کنند. آنان اسم این مدل را ساییدن و تکه‌تکه شدن(۵) گذاشتند. شبیه‌سازی‌های جدید مدل دیگری را پیشنهاد می‌کند مبنی بر این که فیبرها بر اثر تکه تکه شدن فیلامان‌ها به وجود نمی‌آیند. بلکه در محیط اطراف ابرها به وجود می‌آیند و بعد توسط جریانات بلند مقیاس جاروب شده و ساختاری با چگالی ستونی واحدی را تشکیل می‌دهند. در حال حاضر این که کدام یک از این دو مدل غالب است یا این که فیبرها چه نقشی در تکه‌تکه شدن رشته‌ای دارند مشخص نیست. در این مقاله نتایج شبیه‌سازی‌های عددی گزارش می‌شود. شبیه‌سازی صورت‌گرفته به بررسی فیلامانی می‌پردازد که در ابتدا غیربحرانی(۶) است و از محیط متلاطم اطراف خود برافزایش می‌کند.
شکل ۳: (چپ) نقشه‌ی پیچش مولفه‌ی موازی با محور فیلامان به همراه کانتورهای چگالی. (راست) نقشه‌ی واگرایی (دیورژانس) میدان سرعت با کانتورهای چگالی مشابه. از این تصویر می‌توان مشاهده کرد که ساختارهای چگال در نواحی با گرادیان پیچش بالا در جهت x رخ می‌دهند.(جاهایی که خطوط زرد/قرمز و آبی در کنار هم قرار می‌گیرند.). این گونه به نظر می‌رسد که واگرایی شک برافزایش را دنبال می‌کند اما با نواحی چگال هم‌بستگی نشان نمی‌دهد.
شبیه‌سازی‌های عددی ارائه شده در این مقاله با یک کد هیدرودینامیک ذرات نَرم‌شده(۷) به نام گندالف(۸) انجام شده‌اند (برای اطلاعات بیش‌تر در مورد انواع کدهای هیدرودینامیکی رایج در اخترفیزیک به این مقاله‌ی آموزشی مراجعه کنید.). پروسه‌های فیزیکی حاضر در این شبیه‌سازی، هیدرودینامیک و خودگرانشی گاز است. به علاوه زایش ستاره توسط ذرات نشستی(۹) مدل‌سازی شده اند. ذرات نشستی ذراتی در شبیه‌سازی هستند که در صورت برخورداری از گروهی از ویژگی‌های از پیش تعیین شده شروع به برافزایش می‌کنند و تبدیل به ستاره می‌شوند. شرایط اولیه‌ی این شبیه‌سازی ذراتی هستند که در یک استوانه به شعاع بیشینهی ۱ پارسک و طول ۳ پارسک پخش شده‌اند. پروفایل چگالی در راستای محور استوانه یکنواخت است و به صورت شعاعی کاهش می‌یابد(با آهنگ معکوس r). سرعت اولیه‌ی ذرات دو جملهی یکی ثابت و دیگری تلاطمی دارد. جملهی تلاطمی اختلالات چگالی را شروع می‌کند. شبیه‌سازی با نسخه‌های متفاوتی از جملهی اختلالی تکرار شده‌است که منجر به شصت شبیه‌سازی مختلف گردیده‌است. پس از تشکیل شدن اولین ذرات نشستی شبیه‌سازی تا جایی ادامه پیدا می‌کند که این ذرات ده درصد جرم اولیه‌ی گاز را بلعیده باشند. پس از این مرحله مکانیزم‌های بازخوردی(۱۰) مانند جت‌های پیش‌ستاره‌ای(۱۱) غیر قابل چشم‌پوشی می‌شوند و چون این پروسه‌ها در این مدل وارد نشده‌اند شبیه‌سازی متوقف می‌گردد.
شکل ۴: تصویر شماتیک در راستای محور از مکانیزم تشکیل ساختارهای چگال. دو منطقه‌ی مجاور با بردارهای پیچش مخالف هم گاز را از هر دو جهت به منطقه‌ی مرکزی حمل می‌کنند و گرانش وارد عمل شده و توده‌ی گار زا در کنار هم نگه داشته و ساختارهای فیبر مانند می‌سازد.
پژوهشگران گزارش می‌کنند که پروسه‌ای که در طی آن فیلامان تکه تکه شده و هسته‌ها تشکیل می‌شوند به دلیل وجود تلاطم و برافزایش ناهمگن پروسه‌ای پیچیده است. میزان تلاطم و ناهمگنی اثر قابل توجهی در ریخت‌شناسی و نوع تکه تکه شدن فیلامان دارند. مؤلفان این مقاله مشاهده کرده‌اند که اختلالات اولیه‌ی مادون صوتی(یعنی اختلالاتی که پراکندگی سرعتشان زیر سرعت صوت است) اثر قابل توجهی در تکه تکه شدن فیلامان ندارند چرا که در این موارد پتانسیل گرانشی فیلامان نسبت به انرژی اختلالی غالب است. پروسه‌ی تکه تکه شدن این دسته از فیلامان‌ها به صورت سلسله‌مراتبی و دو‌مرحله‌ای‌ست. شبیه تکه‌تکه شدن مشاهده شده در جبار (تصویر بالای صفحه). اولین تکه‌ها بلند هستند با جدایی زیاد که ناشی از تکه‌تکه شدن گرانشی‌ست. سپس تکه‌ها دوباره تکه تکه می‌شوند و جدایی‌های کوچک‌مقیاس به وجود می‌آورند. این مرحله که در مقیاس طول جین(۱۲) رخ می‌دهد و بسیار سریع (اوردر ۰.۱ مگاسال) صورت می‌گیرد، نشانه‌های تناوبی بودن فواصل تکه‌ها را از بین می‌برد و می‌تواند توضیحی برای این مسئله باشد که چرا تکه تکه شدن‌های شبه پریودیک رصد شده در فیلامان‌ها انقدر نادرند. به موازات افزایش تلاطم اهمیت گرانش در تکه تکه شدن کم می‌شود و مقیاس طولی تکه تکه شدن عمدتا توسط نوسانات چگالی ناشی از تلاطم تعیین می‌شوند. به‌علاوه افزایش تلاطم باعث به‌وجود آمدن ساختارهای دراز فیبرمانند در درون فیلامان می‌شوند (شکل ۱). این یادآور سناریوی ساییدن و تکه تکه شدن است. ایشان مشاهده کرده‌اند که ساختار فیبرها ارتباط تنگاتنگی با میدان سرعت فیلامان دارند. در حالتی که گرادیان پیچش(۱۳) بالاست، میدان سرعت قادر است ذرات گاز را به گرد هم آورد و ساختارهای چگال تشکیل دهد (شکل‌های ۲ و ۳). مولفان پیشنهاد می‌کنند که این پیچش ناشی از برافزایش شعاعی یک جریان ناهمگن برافزایشی است. برافزایش شعاعی گاز پیچش در جهت طولی تولید می‌کند و در نتیجه فیلامان را به ساختارهای فیبرمانند متعددی می‌ساید (شکل ۴). با وجود این که سطح اولیه‌ی تلاطم در این شبیه‌سازی‌ها ده‌برابر با یکدیگر فرق دارند پراکندگی سرعت داخلی فیلامان همواره به سطح سرعت صوت میل می‌کند و تا زمان شروع رمبش نسبتا در این سطح پایدار باقی می‌ماند. این پژوهشگران نشان می‌دهند که وقتی برافزایش به عنوان محرک تلاطم عمل می‌کند، قادر است که سطح تلاطم را حفظ کند اگر ضریب بازده محرک بین ۱۰ تا ۱۵ درصد باشد. ایشان مشاهده کرده‌اند که وقتی چگالی خطی فیلامان‌های با پراکندگی سرعت اولیه مافوق صوتی از چگالی بحرانی عبور می‌کند به‌صورت شعاعی نمی‌رمبند. این درحالی‌ست که در موارد مادون سرعت صوت فیلامان‌ها رمبش شعاعی دارند. ممکن است حضور بالای ساختارهای فیبرمانند در فیلامان‌های مافوق صوتی به معنی این باشد که ساختارهای فیبرمانند وقتی به صورت محلی بحرانی می‌شوند برمبند در حالی که فیلامان والد به صورت سراسری(۱۴) دچار رمبش نشود.
(۱) near infrared extinction
(۲) fragmentation
(۳) prestellar cores
(۴) velosity-coherent sub-filament
(۵) fray and fragment
(۶) subcritical
(۷) smoothed particle hydrodynamics
(۸) GANDALF
(۹) sink particles
(۱۰) feedback mechanisms
(۱۱) proto-stellar jets
(۱۲) Jeans length
(۱۳) vorticity: کرل یا چرخش بردار سرعت سیال است که مقیاسی از چرخشی یودن جریان سیال به دست می‌دهد و برای کمی کردن میزان تلاطم یک جریان به کار می‌رود.
(۱۴) global
عنوان اصلی مقاله: Filamentary fragmentation in a turbulent medium
نویسندگان: S. D. Clarke, A. P. Whitworth, A. Duarte-Cabral, D. A. Hubber
این مقاله برای چاپ در نشریه MNRAS پذیرفته شده است.
لینک مقاله‌ی اصلی: https://arxiv.org/abs/1703.04473
گردآوری: نسیم تنها
ممنون از انتخاب این مقاله، ترجمه روان و گویا. جالب بود!
همچنین سپاس از مدیران اسطرلاب بابت انتخاب مطالب دارای بار آموزشی بالا و گردآوری این محتوای با کیفیت..