Uma fatia através de uma simulação 3D de um grupo turbulento de hidrogênio molecular. Crédito da imagem: Mark Krumholz. Clique para ampliar
Astrofísicos da Universidade da Califórnia, Berkeley e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) explodiram uma das duas teorias concorrentes sobre como as estrelas se formam dentro de imensas nuvens de gás interestelar.
Esse modelo, que tem menos de 10 anos e é defendido por alguns astrônomos britânicos, prevê que nuvens de hidrogênio interestelar desenvolvem aglomerados nos quais vários pequenos núcleos - as sementes de futuras estrelas - se formam. Esses núcleos, com menos de um ano-luz de diâmetro, entram em colapso sob sua própria gravidade e competem pelo gás no grupo circundante, geralmente ganhando de 10 a 100 vezes a massa original do grupo.
O modelo alternativo, freqüentemente denominado teoria do "colapso e fragmentação gravitacional", também pressupõe que as nuvens desenvolvam aglomerados nos quais se formam núcleos proto-estelares. Mas, nessa teoria, os núcleos são grandes e, embora possam se fragmentar em pedaços menores para formar sistemas estelares binários ou múltiplos, contêm quase toda a massa que jamais terão.
“No acréscimo competitivo, os núcleos são sementes que crescem e se tornam estrelas; em nossa imagem, os núcleos se transformam em estrelas ”, explicou Chris McKee, professor de física e astronomia da UC Berkeley. "As observações até o momento, que se concentram principalmente em regiões de formação estelar de baixa massa, como o sol, são consistentes com o nosso modelo e inconsistentes com as deles".
"Acréscimo competitivo é a grande teoria da formação de estrelas na Europa, e agora pensamos que é uma teoria morta", acrescentou Richard Klein, professor adjunto de astronomia da UC Berkeley e pesquisador do LLNL.
Mark R. Krumholz, agora bolsista de pós-doutorado na Universidade de Princeton, McKee e Klein relatam suas descobertas na edição de 17 de novembro da revista Nature.
Ambas as teorias tentam explicar como as estrelas se formam em nuvens frias de hidrogênio molecular, com talvez 100 anos-luz de diâmetro e contendo 100.000 vezes a massa do nosso sol. Essas nuvens foram fotografadas em cores brilhantes pelos telescópios espaciais Hubble e Spitzer, mas a dinâmica do colapso de uma nuvem em uma ou várias estrelas está longe de ser clara. Uma teoria da formação de estrelas é fundamental para entender como as galáxias e aglomerados de galáxias se formam, disse McKee.
“A formação de estrelas é um problema muito rico, envolvendo questões como a forma como estrelas como o sol se formam, por que um número muito grande de estrelas está em sistemas binários de estrelas e como as estrelas são dez a cem vezes a massa da forma do sol”, ele disse. "As estrelas mais massivas são importantes porque, quando explodem em uma supernova, produzem a maioria dos elementos pesados que vemos no material ao nosso redor."
O modelo de acréscimo competitivo foi criado no final dos anos 90 em resposta a problemas com o modelo de colapso gravitacional, que parecia ter problemas para explicar como as estrelas grandes se formam. Em particular, a teoria não poderia explicar por que a radiação intensa de uma grande estrela protostática não sopra apenas as camadas externas da estrela e impede que ela fique maior, mesmo que os astrônomos tenham descoberto estrelas que são 100 vezes a massa do sol.
Enquanto os teóricos, entre eles McKee, Klein e Krumholz, avançaram mais a teoria do colapso gravitacional para explicar esse problema, a teoria do acréscimo competitivo entrou cada vez mais em conflito com as observações. Por exemplo, a teoria da acreção prevê que as anãs marrons, que são estrelas fracassadas, são jogadas para fora de grupos e perdem seus discos circundantes de gás e poeira. No ano passado, no entanto, inúmeras anãs marrons foram encontradas com discos planetários.
"Os teóricos da competência competitiva ignoraram essas observações", disse Klein. "O teste final de qualquer teoria é o quão bem ela concorda com a observação, e aqui a teoria do colapso gravitacional parece ser a vencedora."
O modelo usado por Krumholz, McKee e Klein é uma simulação em supercomputador da dinâmica complicada do gás dentro de uma nuvem turbulenta e turbulenta de hidrogênio molecular à medida que se acumula em uma estrela. O estudo deles é o primeiro dos efeitos da turbulência na taxa em que uma estrela acumula matéria à medida que ela se move através de uma nuvem de gás e destrói a teoria da "competência competitiva".
Empregando 256 processadores paralelos no San Diego Supercomputer Center da UC San Diego, eles rodaram o modelo por quase duas semanas para mostrar que ele representava com precisão a dinâmica da formação de estrelas.
"Durante seis meses, trabalhamos em simulações de alta resolução muito, muito detalhadas e para desenvolver essa teoria", disse Klein. "Então, tendo essa teoria em mãos, a aplicamos a regiões de formação estelar com as propriedades que se poderia obter de uma região de formação estelar".
Os modelos, que também foram executados em supercomputadores no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e no LLNL, mostraram que a turbulência no núcleo e na massa circundante impediria que a acumulação adicionasse muita massa a uma protoestrela.
"Mostramos que, por causa da turbulência, uma estrela não pode acumular muito mais massa do aglomerado ao redor", disse Klein. “Em nossa teoria, uma vez que um núcleo entra em colapso e fragmentos, essa estrela basicamente tem toda a massa que jamais terá. Se ele nasceu em um núcleo de baixa massa, acabará sendo uma estrela de baixa massa. Se ele nasceu em um núcleo de alta massa, pode se tornar uma estrela de alta massa ".
McKee observou que a simulação de supercomputador dos pesquisadores indica que o acréscimo competitivo pode funcionar bem para nuvens pequenas com muito pouca turbulência, mas essas raramente, se é que ocorrem, ocorrem e não foram observadas até o momento. As regiões de formação de estrelas reais têm muito mais turbulência do que se supõe no modelo de acréscimo, e a turbulência não decai rapidamente, como presume esse modelo. Alguns processos desconhecidos, talvez a matéria que flui dos protoestrelas, mantêm os gases agitados para que o núcleo não desmorone rapidamente.
“Turbulência se opõe à gravidade; sem ela, uma nuvem molecular entraria em colapso muito mais rapidamente do que o observado ”, disse Klein. “Ambas as teorias assumem que a turbulência existe. A chave é que existem processos em andamento, à medida que as estrelas começam a se formar, que mantêm a turbulência viva e impedem que ela decaia. O modelo de acréscimo competitivo não tem como colocar isso nos cálculos, o que significa que eles não estão modelando regiões reais de formação de estrelas ".
Klein, McKee e Krumholz continuam a refinar seu modelo para explicar como a radiação de grandes protoestrelas escapa sem soprar todo o gás infalível. Por exemplo, eles mostraram que parte da radiação pode escapar através de cavidades criadas pelos jatos observados para sair dos pólos de muitas estrelas em formação. Muitas previsões da teoria podem ser respondidas por telescópios novos e maiores agora em construção, em particular o telescópio ALMA sensível e de alta resolução que está sendo construído no Chile por um consórcio de astrônomos americanos, europeus e japoneses, disse McKee.
O trabalho foi apoiado pela Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço, a National Science Foundation e o Departamento de Energia.
Fonte original: Comunicado de imprensa da UC Berkeley
