Undvigende oprindelse af stjernegejsere afsløret af 3-D-simuleringer

Astrofysikere har endelig en forklaring på de voldsomme humørsvingninger hos nogle af de største, de klareste og mest sjældne stjerner i universet.

Stjernerne, kaldet lysende blå variable, periodisk bryder ud i blændende udbrud med tilnavnet "stjernegejsere". Disse kraftige udbrud sender hele planeters materiale ud i rummet i løbet af få dage. Årsagen til denne ustabilitet, imidlertid, har forblevet et mysterium i årtier.

Nu, nye 3D-simuleringer fra et hold af astrofysikere tyder på, at turbulente bevægelser i de ydre lag af en massiv stjerne skaber tætte klumper af stjernemateriale. Disse klumper fanger stjernens intense lys som et solsejl, bryder materiale ud i rummet. Efter at have smidt nok masse ud, stjernen falder til ro, indtil dens ydre lag dannes igen, og cyklussen begynder på ny, astrofysikerne rapporterer online 26. september i Natur .

Det er vigtigt at identificere årsagen til stjernegejserne, fordi enhver ekstremt massiv stjerne sandsynligvis tilbringer en del af sit liv som en lysende blå variabel, siger studiemedforfatter Matteo Cantiello, en associeret forsker ved Center for Computational Astrophysics ved Flatiron Institute i New York City.

"Dette fund repræsenterer et vigtigt skridt fremad i forståelsen af ​​livet og døden for de største stjerner i universet, " siger Cantiello. "Disse massive stjerner, trods deres lille antal, bestemmer i høj grad galaksernes udvikling gennem deres stjernevinde og supernovaeksplosioner. Og når de dør, de efterlader sorte huller."

Lysende blå variabler, eller LBV'er, er yderst sjældne, med kun omkring et dusin spottet i og omkring Mælkevejsgalaksen. De gigantiske stjerner kan overstige 100 gange solens masse og nærme sig den teoretiske grænse for, hvor massive stjerner kan blive. LBV'er er også exceptionelt strålende:De klareste skinner med mere end 1 million gange solens lysstyrke. Det lys skubber stof i rummet, fordi absorption og re-emission af en foton af et atom resulterer i et netto udadgående skub.

Tovtrækningen mellem ekstrem tyngdekraft, der trækker materiale ind, og ekstrem lysstyrke, der skubber det ud, er ansvarlig for LBV'ers varemærkeudbrud, mener videnskabsmænd. Absorption af en foton af et atom, imidlertid, kræver, at elektroner er bundet i baner omkring atomets kerne. I det dybeste, varmeste lag af en stjerne, stof opfører sig som et plasma med elektroner ubundne fra atomer. I de køligere ydre lag, elektroner begynder at forbinde deres atomer igen og kan derfor absorbere fotoner igen.

Tidligere foreslåede forklaringer på udbruddene forudsagde, at elementer som helium i de ydre lag kunne absorbere nok fotoner til at overvinde tyngdekraften og flyve ud i rummet som et udbrud. Men simpelt, endimensionelle beregninger understøttede ikke denne hypotese:De ydre lag virkede ikke tilstrækkeligt tætte til at fange nok lys til at overmande tyngdekraften.

Disse simple beregninger, imidlertid, fangede ikke det fulde billede af den komplekse dynamik i en kolossal stjerne. Cantiello, sammen med Yan-Fei Jiang fra Kavli Institute for Theoretical Physics ved University of California, Santa Barbara, og kolleger tog en mere realistisk tilgang. Forskerne skabte en detaljeret, tredimensionel computersimulering af, hvordan stof, varme og lys flyder og interagerer inden for superstore stjerner. De involverede beregninger krævede mere end 60 millioner computerprocessortimer at løse.

I simuleringen, den gennemsnitlige tæthed af de ydre lag var for lav til, at materialet kunne flyve - præcis som de endimensionelle beregninger forudsagde. Imidlertid, de nye beregninger afslørede, at konvektion og blanding i de ydre lag resulterede i, at nogle områder var tættere end andre, med nogle klumper, der er uigennemsigtige nok til at blive sendt ud i rummet af stjernens lys. Sådanne udbrud opstår over tidsskalaer, der spænder fra dage til uger, efterhånden som stjernen svinger og dens lysstyrke svinger. Holdet anslår, at sådanne stjerner kan kaste omkring 10 milliarder billioner tons materiale hvert år, omtrent det dobbelte af Jordens masse.

Forskerne planlægger at forbedre nøjagtigheden af ​​deres simuleringer ved at inkorporere andre effekter såsom stjernens rotation, hvilket kan gøre det nemmere at opsende materiale ud i rummet nær stjernens hurtigt-spindende ækvator end nær de næsten stationære poler. (Denne effekt er grunden til, at NASA affyrer sine raketter fra Florida og Californien i stedet for Maine eller Alaska.)

Forbedring af troværdigheden af ​​stjernesimuleringer er afgørende for at opnå astrofysiske indsigter, siger Cantiello. Flytningen fra simple, enkeltdimensionelle beregninger til fulde 3-D-simuleringer kræver mere beregningsmuskel og mere kompleks fysik, men resultaterne er besværet værd. "Vi var nødt til at implementere al denne fysik for at se, med vores egne øjne, at denne proces – som vi ikke forventede at være vigtig – ville vise sig at være nøglen til at forstå disse voldsomme udbrud og udviklingen af ​​disse massive stjerner, " han siger.