Un corte a través de una simulación tridimensional de un grupo turbulento de hidrógeno molecular. Crédito de la imagen: Mark Krumholz. Click para agrandar
Los astrofísicos de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han explotado una de las dos teorías en competencia sobre cómo se forman las estrellas dentro de inmensas nubes de gas interestelar.
Ese modelo, que tiene menos de 10 años y es defendido por algunos astrónomos británicos, predice que las nubes de hidrógeno interestelares desarrollan grupos en los que se forman varios núcleos pequeños, las semillas de futuras estrellas. Estos núcleos, de menos de un año luz de diámetro, colapsan bajo su propia gravedad y compiten por el gas en el grupo circundante, a menudo ganando 10 a 100 veces su masa original del grupo.
El modelo alternativo, a menudo denominado la teoría del "colapso gravitacional y la fragmentación", también supone que las nubes desarrollan grupos en los que se forman núcleos protoestelares. Pero en esta teoría, los núcleos son grandes y, aunque pueden fragmentarse en pedazos más pequeños para formar sistemas estelares binarios o múltiples, contienen casi toda la masa que alguna vez tendrán.
“En la acumulación competitiva, los núcleos son semillas que crecen para convertirse en estrellas; en nuestra imagen, los núcleos se convierten en estrellas ", explicó Chris McKee, profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Berkeley. "Las observaciones hasta la fecha, que se centran principalmente en regiones de formación estelar de baja masa, como el sol, son consistentes con nuestro modelo e inconsistentes con los suyos".
"La acumulación competitiva es la gran teoría de la formación de estrellas en Europa, y ahora creemos que es una teoría muerta", agregó Richard Klein, profesor adjunto de astronomía en UC Berkeley e investigador en LLNL.
Mark R. Krumholz, ahora becario postdoctoral en la Universidad de Princeton, McKee y Klein informan sus hallazgos en la edición del 17 de noviembre de Nature.
Ambas teorías intentan explicar cómo se forman las estrellas en nubes frías de hidrógeno molecular, tal vez a 100 años luz de diámetro y que contienen 100.000 veces la masa de nuestro sol. Dichas nubes han sido fotografiadas en colores brillantes por los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, pero la dinámica del colapso de una nube en una o varias estrellas está lejos de ser clara. Una teoría de la formación de estrellas es crítica para entender cómo se forman las galaxias y los cúmulos de galaxias, dijo McKee.
"La formación de estrellas es un problema muy rico, que involucra preguntas tales como cómo se formaron estrellas como el sol, por qué una gran cantidad de estrellas están en sistemas estelares binarios y cómo se forman de diez a cien veces la masa del sol", dijo. dijo. "Las estrellas más masivas son importantes porque, cuando explotan en una supernova, producen la mayoría de los elementos pesados que vemos en el material que nos rodea".
El modelo de acreción competitivo surgió a fines de la década de 1990 en respuesta a problemas con el modelo de colapso gravitacional, que parecía tener problemas para explicar cómo se forman las estrellas grandes. En particular, la teoría no podía explicar por qué la radiación intensa de una gran estrella protógena no solo expulsa las capas externas de la estrella y evita que se agrande, a pesar de que los astrónomos han descubierto estrellas que son 100 veces la masa del sol.
Mientras que los teóricos, entre ellos McKee, Klein y Krumholz, han avanzado más en la teoría del colapso gravitacional para explicar este problema, la teoría de la acumulación competitiva ha entrado cada vez más en conflicto con las observaciones. Por ejemplo, la teoría de la acumulación predice que las enanas marrones, que son estrellas fallidas, son expulsadas de los grupos y pierden sus discos circundantes de gas y polvo. En el último año, sin embargo, se han encontrado numerosas enanas marrones con discos planetarios.
"Los teóricos de la acumulación competitiva han ignorado estas observaciones", dijo Klein. "La prueba final de cualquier teoría es qué tan bien está de acuerdo con la observación, y aquí la teoría del colapso gravitacional parece ser el claro ganador".
El modelo utilizado por Krumholz, McKee y Klein es una simulación de supercomputadora de la complicada dinámica del gas dentro de una nube turbulenta y turbulenta de hidrógeno molecular que se acumula en una estrella. El suyo es el primer estudio de los efectos de la turbulencia en la velocidad a la que una estrella acumula materia a medida que se mueve a través de una nube de gas, y derriba la teoría de la "acumulación competitiva".
Empleando 256 procesadores paralelos en el Centro de Supercomputadoras de San Diego en UC San Diego, ejecutaron su modelo durante casi dos semanas para demostrar que representaba con precisión la dinámica de la formación estelar.
"Durante seis meses, trabajamos en simulaciones muy, muy detalladas y de alta resolución para desarrollar esa teoría", dijo Klein. "Luego, teniendo esa teoría en la mano, la aplicamos a las regiones de formación de estrellas con las propiedades que uno podría obtener de una región de formación de estrellas".
Los modelos, que también se ejecutaron en supercomputadoras en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y LLNL, mostraron que las turbulencias en el núcleo y el grupo circundante evitarían que la acumulación agregue mucha masa a una estrella.
"Hemos demostrado que, debido a la turbulencia, una estrella no puede acumular eficientemente mucha más masa del grupo circundante", dijo Klein. “En nuestra teoría, una vez que un núcleo se derrumba y se fragmenta, esa estrella básicamente tiene toda la masa que alguna vez tendrá. Si nació en un núcleo de baja masa, terminará siendo una estrella de baja masa. Si nace en un núcleo de gran masa, puede convertirse en una estrella de gran masa ".
McKee señaló que la simulación de la supercomputadora de los investigadores indica que la acumulación competitiva puede funcionar bien para nubes pequeñas con muy poca turbulencia, pero esto rara vez, si alguna vez, ocurre y no se ha observado hasta la fecha. Las regiones de formación estelar reales tienen mucha más turbulencia de lo que se supone en el modelo de acreción, y la turbulencia no decae rápidamente, como presume ese modelo. Algunos procesos desconocidos, tal vez la materia que fluye de los protostars, mantienen los gases enrollados para que el núcleo no se colapse rápidamente.
“La turbulencia se opone a la gravedad; sin ella, una nube molecular colapsaría mucho más rápido de lo observado ”, dijo Klein. “Ambas teorías suponen que hay turbulencia. La clave es (que) hay procesos en curso a medida que comienzan a formarse estrellas que mantienen viva la turbulencia y evitan que se descomponga. El modelo de acumulación competitiva no tiene forma de incluir esto en los cálculos, lo que significa que no están modelando regiones reales de formación estelar ".
Klein, McKee y Krumholz continúan refinando su modelo para explicar cómo escapa la radiación de los grandes protostars sin expulsar todo el gas que cae. Por ejemplo, han demostrado que parte de la radiación puede escapar a través de las cavidades creadas por los chorros observados que salen de los polos de muchas estrellas en formación. Muchas predicciones de la teoría pueden ser respondidas por telescopios nuevos y más grandes que se están construyendo, en particular el sensible telescopio ALMA de alta resolución que está construyendo en Chile un consorcio de astrónomos estadounidenses, europeos y japoneses, dijo McKee.
El trabajo fue apoyado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, la Fundación Nacional de Ciencia y el Departamento de Energía.
Fuente original: Comunicado de prensa de UC Berkeley
