Abbildung 1: Künstlerische Darstellung eines jungen Sterns mit einer Gas- und Staubscheibe (protoplanetare Scheibe) in Umlaufbahn.
Quelle: ESO/L. Calçada
Diese Simulationen liefern zwei Hauptresultate: Protosterne sind bereits bei ihrer Geburt turbulent und protoplanetare Scheiben bilden sich aus Material, das von der Oberfläche des Sterns ausgestoßen wird.
Diese Ergebnisse wurden im Journal Astronomy & Astrophysics veröffentlicht: The birth and early evolution of a low-mass protostar und Formation of low-mass protostars and their circumstellar disks.
Die Bedeutung numerischer Simulationen
In unserer Galaxie kollabieren zahlreiche Staub- und Gaswolken aufgrund der Schwerkraft in sich selbst, wodurch der Sternentstehungsprozess ausgelöst wird. Die Gas- und Staubscheibe, die junge Sterne umgibt, genannt „protoplanetare Scheibe“ (siehe Abbildung 1), wird später Planeten hervorbringen.
Das Verständnis der Entwicklung dieser Phänomene informiert uns über die Entstehung unseres eigenen Sonnensystems, der Erde und über das Auftreten von Leben im Universum.
Leider ist es sehr schwierig, die Geburt von Sternen und Planeten zu beobachten, da die große Menge an Staub, in der junge Sterne eingebettet sind, einen Großteil ihres Lichts verdeckt. Daher bleibt die Beobachtung ihrer Entstehung schwierig, selbst mit so leistungsstarken Teleskopen wie dem vom CEA mitentwickelten James Webb Space Telescope (JWST).
Deshalb nutzen Astrophysiker Supercomputer, um hochkomplexe numerische Simulationen durchzuführen, die versuchen, diese Phänomene basierend auf den Gesetzen der Physik nachzubilden.
Diese Simulationen sind jedoch sehr zeitaufwendig. Eine Simulation, die den Kollaps der Wolke und die ersten eineinhalb Jahre nach der Geburt von Protosternen beschreibt, erfordert drei Monate Berechnungen.
Abbildung 2: Visualisierung des Inneren eines Protosterns, die die starke Turbulenz darin zeigt. Die Farbe zeigt die Entropie des Gases an, eine Maßnahme zur Bestimmung, ob ein Gebiet anfällig für Turbulenzen ist.
Quelle: Ahmad et al. (2023).
Sternentstehung
In einer ersten Studie zeigten die Simulationen, dass Sterne bereits bei ihrer Geburt turbulent sind (siehe Abbildung 2), was den bisherigen Annahmen der Forscher widerspricht.
Man dachte nämlich, dass Turbulenzen in Sternen ausgelöst werden, sobald die Kernfusion in ihrem zentralen Bereich beginnt (etwa 100.000 Jahre nach ihrer Geburt). Dank der sehr hohen Auflösung der Simulationen stellten die Forscher fest, dass eine Instabilität an der Sternoberfläche großräumige Turbulenzen erzeugen kann, wenn der Stern das umliegende Gas ansammelt.
Dies wird Auswirkungen auf die Entwicklung der Sterne haben und ermöglicht es, neue Fragen über den Ursprung ihrer Magnetfelder zu stellen, die diese Turbulenzen benötigen, um eine Dynamo zu starten.
Bildung von protoplanetaren Scheiben
In einer zweiten Studie berücksichtigte das Team die Rotationseffekte in der ursprünglichen Wolke, um die Entstehung von protoplanetaren Scheiben zusammen mit dem Stern zu untersuchen (siehe Abbildung 3).
Zum ersten Mal zeigten die Simulationen, dass sich die Scheiben aus Gas bilden, das von der Oberfläche des Sterns ausgestoßen wird. In der Tat dreht sich der Protostern bei seiner Geburt so schnell, dass ein Teil seines Gases die Fluchtgeschwindigkeit erreicht, also die Geschwindigkeit, bei der die Zentrifugalkraft so groß wird, dass die Schwerkraft des Sterns das Gas nicht mehr zurückhalten kann.
Dies ändert den Paradigma der Scheibenbildung erheblich, die bisher aufgrund der Rechenzeitbeschränkungen unabhängig vom Stern untersucht wurden.
Abbildung 3: Simulation eines Protosterns (grüner Torus) und seiner Akkretionsscheibe (blau). Die weißen Kurven stellen das Geschwindigkeitsfeld des Gases dar, das bei den Polen des Sterns eintritt, angezogen von seiner Schwerkraft. Die Hintergrundbilder sind Schnitte, die die Strahlungsemission des Gases darstellen. In nur 10 Monaten erreichte die Scheibe einen halben astronomischen Einheit im Radius, also die Hälfte der Entfernung zwischen Erde und Sonne, und seine vertikale Ausdehnung ist so groß, dass sie den Stern umschließt.
Quelle: Ahmad et al. (2024)
Die nächsten Simulationen
Das Forscherteam führt bereits neue Simulationen durch, bei denen das Magnetfeld innerhalb der Wolke berücksichtigt wird. Dies wird es ihnen ermöglichen, den Ursprung der Magnetfelder in den Sternen und deren Einfluss auf die Interaktion zwischen dem Stern und der Scheibe zu untersuchen.