Una sezione attraverso una simulazione 3D di un gruppo turbolento di idrogeno molecolare. Credito d'immagine: Mark Krumholz. clicca per ingrandire
Gli astrofisici dell'Università della California, di Berkeley e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno fatto esplodere una delle due teorie in competizione su come le stelle si formano all'interno di immense nuvole di gas interstellare.
Quel modello, che ha meno di 10 anni ed è sostenuto da alcuni astronomi britannici, prevede che le nubi interstellari di idrogeno sviluppino ammassi in cui si formano numerosi piccoli nuclei, i semi delle stelle future. Questi nuclei, a meno di un anno di luce, collassano sotto la loro stessa gravità e competono per il gas nel gruppo circostante, guadagnando spesso da 10 a 100 volte la loro massa originale dal gruppo.
Il modello alternativo, spesso definito la teoria del "collasso gravitazionale e frammentazione", presume anche che le nuvole sviluppino ammassi in cui si formano i nuclei protostellari. Ma in questa teoria, i nuclei sono grandi e, sebbene possano frammentarsi in pezzi più piccoli per formare sistemi binari o multipli, contengono quasi tutta la massa che avranno mai.
“In accrescimento competitivo, i nuclei sono semi che crescono per diventare stelle; nella nostra immagine, i nuclei si trasformano in stelle ", ha spiegato Chris McKee, professore di fisica e di astronomia presso l'UC Berkeley. "Le osservazioni fino ad oggi, che si concentrano principalmente su regioni con formazione stellare a bassa massa, come il sole, sono coerenti con il nostro modello e incompatibili con il loro."
"L'accrescimento competitivo è la grande teoria della formazione stellare in Europa, e ora pensiamo che sia una teoria morta", ha aggiunto Richard Klein, professore aggiunto di astronomia alla UC Berkeley e ricercatore alla LLNL.
Mark R. Krumholz, ora post-dottorato presso la Princeton University, McKee e Klein riportano le loro scoperte nel numero del 17 novembre di Nature.
Entrambe le teorie cercano di spiegare come si formano le stelle nelle nuvole fredde di idrogeno molecolare, forse 100 anni luce di diametro e contenenti 100.000 volte la massa del nostro sole. Tali nuvole sono state fotografate con colori brillanti dai telescopi spaziali Hubble e Spitzer, ma la dinamica del crollo di una nuvola in una o più stelle è tutt'altro che chiara. Una teoria della formazione stellare è fondamentale per comprendere come si formano galassie e ammassi di galassie, ha affermato McKee.
"La formazione stellare è un problema molto ricco, che coinvolge domande come come si sono formate le stelle come il sole, perché un numero molto grande di stelle si trovano in sistemi binari di stelle e come si formano da dieci a cento volte la massa del sole", ha disse. "Le stelle più massicce sono importanti perché, quando esplodono in una supernova, producono la maggior parte degli elementi pesanti che vediamo nel materiale che ci circonda."
Il modello di accrescimento competitivo è stato schierato alla fine degli anni '90 in risposta a problemi con il modello di collasso gravitazionale, che sembrava avere difficoltà a spiegare come si formano le stelle di grandi dimensioni. In particolare, la teoria non è in grado di spiegare perché l'intensa radiazione di un grande protostar non si limita a far esplodere gli strati esterni della stella e impedisce che si ingrandisca, anche se gli astronomi hanno scoperto stelle che sono 100 volte la massa del sole.
Mentre i teorici, tra cui McKee, Klein e Krumholz, hanno avanzato ulteriormente la teoria del collasso gravitazionale per spiegare questo problema, la teoria dell'accrescimento competitivo è diventata sempre più in conflitto con le osservazioni. Ad esempio, la teoria dell'accrescimento prevede che le nane brune, che sono stelle fallite, vengano espulse dai grumi e perdano i loro dischi che circondano di gas e polvere. Nell'ultimo anno, tuttavia, sono stati trovati numerosi nani marroni con dischi planetari.
"I teorici della crescita competitiva hanno ignorato queste osservazioni", ha affermato Klein. "Il test finale di qualsiasi teoria è quanto sia d'accordo con l'osservazione, e qui la teoria del collasso gravitazionale sembra essere il chiaro vincitore."
Il modello utilizzato da Krumholz, McKee e Klein è una simulazione supercomputer della complessa dinamica del gas all'interno di una turbinosa e turbolenta nuvola di idrogeno molecolare mentre si accumula su una stella. Il loro è il primo studio degli effetti della turbolenza sulla velocità con cui una stella accresce la materia mentre si muove attraverso una nuvola di gas e demolisce la teoria dell '"accrescimento competitivo".
Impiegando 256 processori paralleli presso il San Diego Supercomputer Center presso l'UC San Diego, hanno eseguito il loro modello per quasi due settimane per dimostrare che rappresentava accuratamente la dinamica della formazione stellare.
"Per sei mesi, abbiamo lavorato su simulazioni molto, molto dettagliate e ad alta risoluzione per sviluppare quella teoria", ha detto Klein. "Quindi, avendo quella teoria in mano, l'abbiamo applicata alle regioni di formazione stellare con le proprietà che si potrebbero trarre da una regione di formazione stellare."
I modelli, che sono stati anche eseguiti su supercomputer presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e LLNL, hanno mostrato che la turbolenza nel nucleo e nell'agglomerato circostante impedirebbe all'accrescimento di aggiungere molta massa a un protostar.
"Abbiamo dimostrato che, a causa della turbolenza, una stella non è in grado di accumulare in modo efficiente molta più massa dal grumo circostante", ha detto Klein. “Nella nostra teoria, una volta che un nucleo collassa e si frammenta, quella stella ha praticamente tutta la massa che potrà mai avere. Se è nato in un nucleo a bassa massa, finirà per essere una stella a bassa massa. Se è nato in un nucleo di massa elevata, potrebbe diventare una stella di massa elevata ".
McKee ha osservato che la simulazione del supercomputer dei ricercatori indica che l'accrescimento competitivo potrebbe funzionare bene per le piccole nuvole con pochissima turbolenza, ma queste raramente, se mai, si verificano e non sono state finora osservate. Le regioni di formazione stellare reali hanno una turbolenza molto maggiore di quanto ipotizzato nel modello di accrescimento e la turbolenza non decade rapidamente, come presume quel modello. Alcuni processi sconosciuti, forse la materia che fuoriesce dai protostari, mantengono i gas in eccesso in modo che il nucleo non collassi rapidamente.
“La turbolenza si oppone alla gravità; senza di essa, una nuvola molecolare collasserebbe molto più rapidamente di quanto osservato ", ha affermato Klein. “Entrambe le teorie presumono che la turbolenza sia lì. La chiave è che ci sono processi in corso mentre le stelle iniziano a formarsi per mantenere viva la turbolenza e impedirne la decomposizione. Il modello di accrescimento competitivo non ha alcun modo di includerlo nei calcoli, il che significa che non stanno modellando vere e proprie regioni di formazione stellare. "
Klein, McKee e Krumholz continuano a perfezionare il loro modello per spiegare come fuoriescono le radiazioni provenienti da grandi protostari senza soffiare via tutto il gas in caduta libera. Ad esempio, hanno dimostrato che parte della radiazione può fuoriuscire attraverso le cavità create dai getti osservati per uscire dai poli di molte stelle in formazione. Molte previsioni della teoria possono essere risolte da telescopi nuovi e più grandi attualmente in costruzione, in particolare il telescopio ALMA sensibile ad alta risoluzione che viene costruito in Cile da un consorzio di astronomi statunitensi, europei e giapponesi, ha affermato McKee.
Il lavoro è stato supportato dalla National Aeronautics and Space Administration, dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell'Energia.
Fonte originale: UC Berkeley News Release
