Звездообразование — процесс рождения звезд из галактического газа и появления новых элементов, включающий в себя широкий спектр физических процессов и происходящий в широком диапазоне пространственно-временных масштабов. Он начинается из гравитационных возмущений, флуктуаций, сталкивающих вещество друг с другом и вызывающих гравитационную неустойчивость. В областях разной плотности образуются тяжелые ямы, в которые начинает увлекаться вещество. В определенный момент сгусток материи становится настолько плотным, что происходит коллапс и в нем начинаются термоядерные реакции: вокруг этого сгустка уже активно и с высокой скоростью вращаются молекулярные облака, состоящие из горячего газа и пыли.
Задайте мне свой вопрос в телеграме или беседе в нашем чате и подпишитесь на мой телеграм-канал об астрофизике и космологии.
Наблюдая за несколькими звездными населениями ученым удалось определить специфику зарождения разных поколений звезд, расширить теорию нуклеосинтеза и точно исследовать образование галактик. Несмотря на то, что звездообразование является наиболее значимым астрофизическим процессом, оно остается наименее изученным. Рождающаяся звезда представляет собой сложную архитектуру с облаками переменной плотности, поведение которой все еще трудно предугадывать. Поэтому постороннему человеку порой сложно интуитивно исследовать поведение молекулярных облаков протозвезды. Эту проблему попытались решить ученые Калифорнийского университета, воспроизведя двухмерные симуляции процесса звездообразования в виде трехмерных сфер, которые были распечатаны на 3D-принтере. С их помощью можно воочию рассмотреть влияние гравитации, турбулентности, центробежной силы, ударных и приливных волн и давления газа и излучения, а также магнитных полей на рождение звезды.
Все эти параметры, в первую очередь, зависят от плотности газа в определенный момент времени и ее эволюцию. Для определения доли газа высокой плотности и, в целом, скорости и эффективности звездообразования необходимо обладать таким параметром как объемная плотность молекулярного облака. Объемная плотность определяется из наблюдений молекулярных облаков в радио, субмиллиметровом, ближнем инфракрасном и оптическом диапазонах. Благодаря обладанию этим параметром нам представляется возможным моделировать процессы, протекающие около протозвезды. Исследование плоских карт молекулярных облаков позволяет нам рассчитать их поверхностную плотность и массу, но не объемную плотность, так как этот параметр фундаментально трехмерный и подвержен неопределенностям наблюдений из-за упрощенной геометрии наблюдаемых объектов. Это вносит существенные погрешности в объемную плотность и в общий результат.
Трехмерное моделирование протозвезды и ее окрестностей на современном уровне включает в себя самогравитацию, турбулентность и влияние магнитных полей на вещество и облачную среду в целом. Полученные модели находят совпадение в филаментах (нитевидных структурах) молекулярных облаков, но этого недостаточно для того, чтобы объяснить процесс самогравитации и сжатия сверхплотных областей, а главное — того, как это связано с образованием звезд. Это приводит к тому, что нам несомненно придется прибегнуть к визуализации трехмерных данных для полного понимания процессов в молекулярных облаках. Существующие алгоритмы создания 3D-моделей уже повсеместно использующиеся в астрономии, но несут с собой потерю информации и высокий уровень неточностей.
В таком случае использование трехмерных моделей можно рассматривать как способ упрощения восприятия тех или иных моделируемых процессов при помощи использования интуиции и как дополнительных подход к визуализации данных, способный показать скрытые особенности модели. Команда ученых из Калифорнийского университета, Центра вычислительной астрофизики и Школы инженерии и прикладных наук разработала методику трехмерного моделирования из восьмибитных полутоновых растровых изображений, которое сохраняет все вариации плотности, полученные исходными астрономическими данными. Такие модели позволяют проследить влияние различных факторов на межзвездную среду и протозвезду воочию, с помощью полимерной сферы размером с теннисный мяч, распечатанной на 3D-принтере. Впрочем, как говорят авторы, форма и размер конечного продукта может быть любым — сфера использовалась ими из эстетических соображений.
Для создания сфер ученые использовали девять различных сценариев, при которых варьируются различные физические параметры: число Маха, параметр турбулентности и магнитного поля и другие. Таким образом полученные модели путем пространственности приобрели непрерывность — отдельные нити и пучки выглядят естественно в отличие от их изображения в двухмерных моделях. В каждой сфере наблюдается массивный холодный филамент, который овевает звезду и постепенно теряет свою среднюю плотность, как ураган. Все сферы получились уникальными, с суммой варьирующихся параметров: оттого из-за низкого значения турбулентности в одной сфере больше сгустков, больше полостей и меньше филаментов, а в другой — наоборот. В свою очередь эти различия подчеркивают превосходство использования трехмерных моделей над двумерными в отдельных случаях.
Полученный продукт, как оговаривалось ранее, обладает высокой степенью неточности и не является репликой настоящих протозвезд, потому на данный момент он актуален для образовательных целей. Несмотря на это, данная работа вносит весомый вклад в трехмерную визуализацию астрофизических моделей и в будущем мы можем ожидать новых совершенных алгоритмов создания точных копий небесных объектов, например, по заверению авторов, облака Ориона, о котором у нас накопилось большое количество данных. Оригинальное исследование было опубликовано в The Astrophysical Journal Letters, Vol. 918 (arXiv:2108.00014).
Задавайте вопросы и оставляйте пожелания в комментариях. Больше информации Вы найдете в телеграм-канале об астрофизике, космологии и астрофотографии. Пишите мне в личку или наш чат.
