Πώς σχηματίζονται τα άστρα;

Πηγή: Πανεπιστήμιο Berkeley, 16 Νοεμβρίου 2005

Αστρονόμοι στις ΗΠΑ θεωρούν ότι έχουν υπολογίσει πώς σχηματίζονται τα αστέρια από τα νέφη του διαστρικού αερίου. Πιστεύουν ότι όλα τα αστέρια δημιουργούνται από τη βαρυτική κατάρρευση μεγάλων τμημάτων μορίων, και ότι το αντίπαλο μοντέλο της "ανταγωνιστικής προσαύξησης" δεν υποστηρίζεται από τις παρατηρήσεις (Nature 438 322).

Υπάρχουν δύο κύρια μοντέλα του σχηματισμού των αστεριών. Η βαρυτική κατάρρευση είναι μία από πάνω προς τα κάτω διαδικασία στην οποία μοριακές μάζες που είναι εκατοντάδες φορές βαρύτερες από ό,τι ο Ήλιος τεμαχίζεται σε αεριώδεις πυρήνες, οι οποίοι έπειτα καταρρέουν για να φτιάξουν μεμονωμένα αστέρια. Η θεωρία της ανταγωνιστικής προσαύξησης, αφ' ετέρου, είναι μια διαδικασία από κάτω προς τα πάνω: τα αστέρια γεννιούνται ως μικροί σπόροι που αυξάνονται από προσαυξανόμενο υλικό από τα κοντινά νέφη του αερίου και, μερικές φορές, της σύγκρουσης τους το ένα με το άλλο.

Το μοντέλο της ανταγωνιστικής προσαύξησης, που είναι λιγότερο από 10 ετών και υπερασπίζεται από μερικούς βρετανούς αστρονόμους, προβλέπει ότι διαστρικά νέφη  υδρογόνου αναπτύσσουν μάζες στις οποίες σχηματίζονται διάφοροι μικροί πυρήνες - οι σπόροι των μελλοντικών αστεριών. Αυτοί οι πυρήνες, μήκους λιγότερο από ένα έτος φωτός, καταρρέουν κάτω από τη βαρύτητά τους και συναγωνίζονται να προσθέσουν αέριο στην περιβάλλουσα μεγάλη μάζα του αερίου, κερδίζοντας συχνά 10 έως 100 φορές την αρχική μάζα τους από τη μεγάλη μάζα.

Το εναλλακτικό μοντέλο, που ονομάζεται συχνά ως "βαρυτική θεωρία κατάρρευσης και τεμαχισμού", επίσης θεωρεί ότι τα νέφη αναπτύσσουν τεράστιες μάζες στις οποίες οι διαμορφώνονται οι πρωτο-αστρικοί πυρήνες. Αλλά σε αυτή τη θεωρία, οι πυρήνες είναι μεγάλοι και, αν και μπορούν να κοπούν σε μικρότερα κομμάτια για να σχηματίσουν δυαδικά ή πολλαπλάσια συστήματα αστεριών, μπορεί να περιέχουν σχεδόν όλη τη μάζα που θα υπάρχει.

Και οι δύο θεωρίες προσπαθούν να εξηγήσουν πώς διαμορφώνονται τα αστέρια στα ψυχρά νέφη του μοριακού υδρογόνου, μήκους ίσως και 100 έτη φωτός και περιέχοντας 100.000 φορές τη μάζα του ήλιού μας Τέτοια νέφη έχουν φωτογραφηθεί με ένα λαμπρό χρώμα από τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και Spitzer, όμως η δυναμική της κατάρρευσης ενός νέφους σε ένα ή πολλά αστέρια δεν είναι και τόσο καθαρή. Και μια θεωρία του σχηματισμού των αστεριών είναι κρίσιμη για την κατανόηση πώς διαμορφώθηκαν οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών.

Ο σχηματισμός των άστρων είναι ένα πολύ πλούσιο πρόβλημα, που περιλαμβάνει ερωτήσεις όπως πώς  διαμορφώθηκαν αστέρια όπως ο ήλιος μας, γιατί ένας πολύ μεγάλος αριθμός αστεριών είναι σε συστήματα δυαδικών αστεριών, και πώς διαμορφώνονται αστέρια δέκα ή εκατό φορές τη μάζα του ήλιου. Τα πιο μεγάλα σε μάζα αστέρια είναι σημαντικά επειδή, όταν εκρήγνυνται σε μια σουπερνόβα, παράγουν τα περισσότερα από τα βαριά στοιχεία που βλέπουμε στα υλικά γύρω από μας.

Το μοντέλο της ανταγωνιστικής προσαύξησης ξεκίνησε προς το τέλος της δεκαετίας του '90 σε απάντηση στα προβλήματα με το μοντέλο της βαρυτικής κατάρρευσης, το οποίο φάνηκε να έχει πρόβλημα να εξηγήσει πώς διαμορφώνονται τα μεγάλα αστέρια. Ειδικότερα, η θεωρία δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί η έντονη ακτινοβολία από ένα μεγάλο πρωταστέρι το αποτρέπει να γίνει μεγαλύτερο, ακόμα κι αν οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει αστέρια που είναι 100 φορές τη μάζα του ήλιου,

Με βάση τις προσομοιώσεις υπολογιστών ο Mark Krumholz από το πανεπιστήμιο του Princeton, ο Christopher McKee από το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, και ο Richard Klein από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore υποστηρίζουν ότι η από κάτω προς τα πάνω θεωρία είναι ανακριβής, επειδή οι σπόροι δεν μπορούν να αυξηθούν αρκετά γρήγορα κατά τη διάρκεια της ζωής των νεφών για να φθάσουν στα χαρακτηριστικά μεγέθη των αστεριών. Ο Krumholz και οι συνάδελφοι του προσομοίωσαν τη διαδικασία προσαύξησης για διαφορετικούς τύπους μοριακών μαζών και προσδιόρισαν εκείνες στις οποίες ο ρυθμός προσαύξησης είναι αρκετά υψηλός για να σχηματιστούν τα αστέρια. Εντούτοις, οι τύποι των μαζών στους οποίους αυτό συμβαίνει δεν αντιστοιχούν σε οποιεσδήποτε που έχουν φανεί στις παρατηρήσεις.

"Το αποτέλεσμά μας είναι ότι η από κάτω προς τα επάνω ιδέα δεν λειτουργεί", είπε ο Krumholz, "επειδή οι σπόροι δεν μπορούν να προσαυξηθούν αρκετά γρήγορα για να μετατραπούν σε αστρικές μάζες μέσα στη διάρκεια της ζωής των νεφών από τα οποία γεννιούνται. Αντίθετα, τα αστέρια σχηματίζονται από τον τεμαχισμό μεγάλων μαζών, και η διαδικασία του τεμαχισμού καθορίζει τις μάζες τους."

Τα αποτελέσματα εξηγούν επίσης, λέει η η ομάδα, γιατί οι παρατηρήσεις προτείνουν ότι αντικείμενα τόσο διαφορετικά όπως οι μικροί καφέ νάνοι και τα ογκώδη αστέρια έχουν έναν κοινό μηχανισμό σχηματισμού. Αντίθετα, το πρότυπο της προσαύξησης περιλαμβάνει διαφορετικούς μηχανισμούς για τα αντικείμενα με διαφορετικές μάζες. Μια καθολική διαδικασία σχηματισμού, επίσης, μπορεί να εξηγήσει γιατί η κατανομή της μάζας των πρόσφατα διαμορφωμένων αστεριών - η αρχική λειτουργία - φαίνεται να είναι σταθερή σε όλο το Γαλαξία μας και σε άλλους γαλαξίες.

"Πολλές προηγούμενες προσομοιώσεις των διαδικασιών του σχηματισμού των αστεριών έκαναν ένα σημαντικό λάθος επειδή μοντελοποίησαν περιβάλλοντα με ιδιότητες που είναι πολύ διαφορετικές από εκείνες που παρατηρήθηκαν", λέει ο Krumholz. "Πολλές αυτές οι προσομοιώσεις πρόκειται τώρα να επανεξεταστούν και πιθανά να μελετηθούν ξανά".