Звездообразование — это процесс, при котором плотные области внутри молекулярных облаков в межзвездном пространстве , иногда называемые «звездными яслями» или « областями звездообразования », коллапсируют и образуют звезды . [1] Как раздел астрономии , звездообразование включает в себя изучение межзвездной среды (ISM) и гигантских молекулярных облаков (GMC) как предшественников процесса звездообразования, а также изучение протозвезд и молодых звездных объектов как его непосредственных продуктов. Оно тесно связано с образованием планет , другим разделом астрономии . Теория звездообразования, а также учет образования одиночной звезды должны также учитывать статистику двойных звезд и начальную функцию масс . Большинство звезд образуются не изолированно, а как часть группы звезд, называемых звездными скоплениями или звездными ассоциациями . [2]
Первые звезды, как полагают, образовались примерно 12-13 миллиардов лет назад после Большого взрыва . В течение промежутков времени звезды сплавляли гелий, образуя ряд химических элементов .
Спиральные галактики, такие как Млечный Путь, содержат звезды , звездные остатки и диффузную межзвездную среду (ISM) из газа и пыли. Межзвездная среда состоит из 10 4 -10 6 частиц на см 3 и обычно состоит примерно из 70% водорода , 28% гелия и 1,5% более тяжелых элементов по массе. Следовые количества более тяжелых элементов были и производятся внутри звезд посредством звездного нуклеосинтеза и выбрасываются, когда звезды проходят за пределы конца своей главной последовательности жизни. Более плотные области межзвездной среды образуют облака или диффузные туманности , [3] где происходит звездообразование. [4] В отличие от спиральных галактик, эллиптические галактики теряют холодный компонент [ необходимо определение ] своей межзвездной среды в течение примерно миллиарда лет, что препятствует галактике образовывать диффузные туманности, за исключением слияний с другими галактиками. [5]
В плотных туманностях, где рождаются звезды, большая часть водорода находится в молекулярной (H 2 ) форме, поэтому эти туманности называются молекулярными облаками . [4] Космическая обсерватория Гершеля обнаружила , что нити, или вытянутые плотные газовые структуры, действительно повсеместны в молекулярных облаках и играют центральную роль в процессе звездообразования. Они фрагментируются в гравитационно связанные ядра, большинство из которых эволюционируют в звезды. Непрерывная аккреция газа, геометрическое изгибание [ необходимо определение ] и магнитные поля могут контролировать детальный способ фрагментации нитей. Наблюдения за сверхкритическими нитями выявили квазипериодические цепочки плотных ядер с интервалом, сопоставимым с внутренней шириной нити, и встроенные протозвезды с оттоками. [ жаргон ] [6]
Наблюдения показывают, что самые холодные облака имеют тенденцию формировать звезды малой массы, которые сначала наблюдаются через инфракрасный свет, который они испускают внутри облаков, а затем как видимый свет, когда облака рассеиваются. Гигантские молекулярные облака, которые, как правило, теплее, производят звезды всех масс. [7] Эти гигантские молекулярные облака имеют типичную плотность 100 частиц на см 3 , диаметр 100 световых лет (9,5 × 10 14 км ), массу до 6 миллионов солнечных масс ( M ☉ ) , или шесть миллионов раз больше массы Солнца Земли. [8] Средняя внутренняя температура составляет 10 К (−441,7 °F ).
Около половины общей массы галактической межзвездной среды Млечного Пути находится в молекулярных облаках [9], а галактика включает в себя приблизительно 6000 молекулярных облаков, каждое из которых имеет более 100 000 M ☉ . [10] Ближайшая к Солнцу туманность , где формируются массивные звезды, — это туманность Ориона , находящаяся на расстоянии 1300 световых лет (1,2 × 10 16 км) от нас. [11] Однако формирование звезд с меньшей массой происходит на расстоянии около 400–450 световых лет в облачном комплексе ρ Змееносца . [12]
Более компактное место звездообразования — непрозрачные облака плотного газа и пыли, известные как глобулы Бока , названные так в честь астронома Барта Бока . Они могут образовываться в связи с коллапсирующими молекулярными облаками или, возможно, независимо. [13] Глобулы Бока обычно достигают светового года в поперечнике и содержат несколько солнечных масс . [14] Их можно наблюдать как темные облака, вырисовывающиеся на фоне ярких эмиссионных туманностей или фоновых звезд. Было обнаружено, что более половины известных глобул Бока содержат недавно формирующиеся звезды. [15]
Межзвездное облако газа будет оставаться в гидростатическом равновесии до тех пор, пока кинетическая энергия давления газа находится в равновесии с потенциальной энергией внутренней гравитационной силы . Математически это выражается с помощью теоремы вириала , которая гласит, что для поддержания равновесия гравитационная потенциальная энергия должна быть равна удвоенной внутренней тепловой энергии. [17] Если облако достаточно массивно, чтобы давление газа было недостаточно для его поддержки, облако подвергнется гравитационному коллапсу . Масса, выше которой облако подвергнется такому коллапсу, называется массой Джинса . Масса Джинса зависит от температуры и плотности облака, но обычно составляет от тысяч до десятков тысяч масс Солнца. [4] Во время коллапса облака более или менее одновременно образуются десятки или десятки тысяч звезд, что можно наблюдать в так называемых вложенных скоплениях . Конечным продуктом коллапса ядра является открытое скопление звезд. [18]
При вызванном звездообразовании может произойти одно из нескольких событий, чтобы сжать молекулярное облако и инициировать его гравитационный коллапс . Молекулярные облака могут сталкиваться друг с другом, или близлежащий взрыв сверхновой может стать триггером, посылая ударную материю в облако на очень высоких скоростях. [4] (Получающиеся новые звезды могут сами вскоре производить сверхновые, производя самораспространяющееся звездообразование .) В качестве альтернативы, галактические столкновения могут вызывать массивные вспышки звездообразования, поскольку газовые облака в каждой галактике сжимаются и перемешиваются приливными силами . [20] Последний механизм может быть ответственным за образование шаровых скоплений . [21]
Сверхмассивная черная дыра в ядре галактики может служить для регулирования скорости звездообразования в галактическом ядре. Черная дыра, которая аккрецирует падающую материю, может стать активной , испуская сильный ветер через коллимированную релятивистскую струю . Это может ограничить дальнейшее звездообразование. Массивные черные дыры, выбрасывающие радиочастотно-излучающие частицы со скоростью, близкой к скорости света, также могут блокировать образование новых звезд в стареющих галактиках. [22] Однако радиоизлучение вокруг струй также может вызвать звездообразование. Аналогично, более слабая струя может вызвать звездообразование, когда она сталкивается с облаком. [23]
По мере коллапса молекулярное облако распадается на все более мелкие части в иерархическом порядке, пока фрагменты не достигнут звездной массы. В каждом из этих фрагментов коллапсирующий газ излучает энергию, полученную за счет высвобождения гравитационной потенциальной энергии . По мере увеличения плотности фрагменты становятся непрозрачными и, таким образом, менее эффективными в излучении своей энергии. Это повышает температуру облака и препятствует дальнейшей фрагментации. Теперь фрагменты конденсируются во вращающиеся сферы газа, которые служат звездными эмбрионами. [25]
Усложнение этой картины коллапсирующего облака заключается в эффектах турбулентности , макроскопических потоков, вращения , магнитных полей и геометрии облака. Как вращение, так и магнитные поля могут препятствовать коллапсу облака. [26] [27] Турбулентность играет важную роль в возникновении фрагментации облака, а в самых малых масштабах она способствует коллапсу. [28]
Протозвездное облако будет продолжать коллапсировать до тех пор, пока гравитационная энергия связи может быть устранена. Эта избыточная энергия в основном теряется через излучение. Однако коллапсирующее облако в конечном итоге станет непрозрачным для своего собственного излучения, и энергия должна быть удалена какими-то другими способами. Пыль внутри облака нагревается до температур 60–100 К , и эти частицы излучают на длинах волн в далеком инфракрасном диапазоне, где облако прозрачно. Таким образом, пыль опосредует дальнейший коллапс облака. [29]
Во время коллапса плотность облака увеличивается по направлению к центру, и, таким образом, средняя область становится оптически непрозрачной первой. Это происходит, когда плотность составляет около 10−13 г/см3 . Область ядра, называемая первым гидростатическим ядром, образуется там, где коллапс по существу останавливается. Она продолжает повышаться в температуре, как определено теоремой вириала. Газ, падающий по направлению к этой непрозрачной области, сталкивается с ней и создает ударные волны, которые еще больше нагревают ядро. [30]
Когда температура ядра достигает примерно 2000 К , тепловая энергия диссоциирует молекулы H 2 . [30] За этим следует ионизация атомов водорода и гелия. Эти процессы поглощают энергию сжатия, позволяя ему продолжаться в масштабах времени, сопоставимых с периодом коллапса при скоростях свободного падения. [31] После того, как плотность падающего материала достигает примерно 10 −8 г/см 3 , этот материал становится достаточно прозрачным, чтобы позволить энергии, излучаемой протозвездой, выйти. Сочетание конвекции внутри протозвезды и излучения из ее внешней части позволяет звезде сжиматься дальше. [30] Это продолжается до тех пор, пока газ не станет достаточно горячим для того, чтобы внутреннее давление поддерживало протозвезду против дальнейшего гравитационного коллапса — состояние, называемое гидростатическим равновесием . Когда эта фаза аккреции почти завершена, полученный объект известен как протозвезда . [4]
Аккреция материала на протозвезду частично продолжается из новообразованного околозвездного диска . Когда плотность и температура достаточно высоки, начинается синтез дейтерия , и внешнее давление результирующего излучения замедляет (но не останавливает) коллапс. Материал, составляющий облако, продолжает «проливаться» на протозвезду . На этой стадии образуются биполярные струи, называемые объектами Хербига–Аро . Вероятно, это способ, с помощью которого избыточный угловой момент падающего материала выбрасывается, позволяя звезде продолжать формироваться.
Когда окружающая газовая и пылевая оболочка рассеивается и процесс аккреции останавливается, звезда считается звездой пред-главной последовательности (звезда PMS). Источником энергии этих объектов является (гравитационное сжатие) механизм Кельвина-Гельмгольца , в отличие от горения водорода в звездах главной последовательности. Звезда PMS следует по треку Хаяши на диаграмме Герцшпрунга-Рассела (H–R) . [33] Сжатие будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут предел Хаяши , а затем сжатие будет продолжаться по шкале времени Кельвина-Гельмгольца с сохранением стабильной температуры. Звезды с массой менее 0,5 M ☉ после этого присоединяются к главной последовательности. Для более массивных звезд PMS в конце трека Хаяши они будут медленно коллапсировать в состоянии, близком к гидростатическому равновесию, следуя треку Хеньея . [34]
Наконец, водород начинает плавиться в ядре звезды, а остальная часть оболочек расчищается. Это завершает протозвездную фазу и начинает фазу главной последовательности звезды на диаграмме H–R.
Стадии процесса хорошо определены в звездах с массой около 1 M ☉ или меньше. У звезд с большой массой длительность процесса звездообразования сопоставима с другими временными шкалами их эволюции, намного короче, и процесс не так хорошо определен. Более поздняя эволюция звезд изучается в звездной эволюции .
Ключевые элементы звездообразования доступны только при наблюдении в длинах волн, отличных от оптического . Протозвездная стадия звездного существования почти всегда скрыта глубоко внутри плотных облаков газа и пыли, оставшихся от GMC . Часто эти звездообразующие коконы, известные как глобулы Бока , можно увидеть в силуэте на фоне яркого излучения окружающего газа. [35] Ранние стадии жизни звезды можно увидеть в инфракрасном свете, который проникает через пыль легче, чем видимый свет. [36] Таким образом, наблюдения с помощью широкоугольного инфракрасного обзорного исследователя (WISE) были особенно важны для открытия многочисленных галактических протозвезд и их родительских звездных скоплений . [37] [38] Примерами таких встроенных звездных скоплений являются FSR 1184, FSR 1190, Camargo 14, Camargo 74, Majaess 64 и Majaess 98. [39]
Структуру молекулярного облака и эффекты протозвезды можно наблюдать на картах поглощения в ближнем ИК-диапазоне (где количество звезд подсчитывается на единицу площади и сравнивается с близлежащей нулевой площадью поглощения неба), непрерывной эмиссии пыли и вращательных переходов CO и других молекул; последние два наблюдаются в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Излучение от протозвезды и ранней звезды необходимо наблюдать в инфракрасном астрономическом диапазоне длин волн, поскольку поглощение , вызванное остальной частью облака, в котором формируется звезда, обычно слишком велико, чтобы позволить нам наблюдать его в визуальной части спектра. Это представляет значительные трудности, поскольку атмосфера Земли почти полностью непрозрачна от 20 мкм до 850 мкм, с узкими окнами на 200 мкм и 450 мкм. Даже за пределами этого диапазона необходимо использовать методы вычитания атмосферы.
Рентгеновские наблюдения оказались полезными для изучения молодых звезд, поскольку рентгеновское излучение от этих объектов примерно в 100–100 000 раз сильнее рентгеновского излучения от звезд главной последовательности. [41] Самые ранние обнаружения рентгеновского излучения от звезд типа Т Тельца были сделаны рентгеновской обсерваторией Эйнштейна . [42] [43] Для звезд с малой массой рентгеновское излучение генерируется при нагревании звездной короны посредством магнитного пересоединения , в то время как для звезд O -типа большой массы и ранних звезд B-типа рентгеновское излучение генерируется посредством сверхзвуковых ударных волн в звездных ветрах. Фотоны в диапазоне энергий мягкого рентгеновского излучения, охватываемом рентгеновской обсерваторией Чандра и XMM-Newton, могут проникать в межзвездную среду лишь с умеренным поглощением из-за газа, что делает рентгеновское излучение полезной длиной волны для наблюдения за звездными популяциями внутри молекулярных облаков. Рентгеновское излучение как свидетельство молодости звезд делает эту полосу особенно полезной для проведения переписей звезд в областях звездообразования, учитывая, что не все молодые звезды имеют избыток инфракрасного излучения. [44] Рентгеновские наблюдения обеспечили почти полную перепись всех объектов звездной массы в скоплении туманности Ориона и молекулярном облаке Тельца . [45] [46]
Образование отдельных звезд можно непосредственно наблюдать только в галактике Млечный Путь , но в далеких галактиках звездообразование было обнаружено по его уникальной спектральной сигнатуре .
Первоначальные исследования показывают, что звездообразующие сгустки начинаются как гигантские плотные области в турбулентной газосодержащей материи в молодых галактиках, живут около 500 миллионов лет и могут мигрировать к центру галактики, создавая центральный выступ галактики. [47]
21 февраля 2014 года НАСА объявило о значительно улучшенной базе данных для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной . По мнению ученых, более 20% углерода во Вселенной может быть связано с ПАУ, возможными исходными материалами для образования жизни . ПАУ , по-видимому, образовались вскоре после Большого взрыва , широко распространены по всей Вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами . [48]
В феврале 2018 года астрономы впервые сообщили о сигнале эпохи реионизации — косвенном обнаружении света от самых ранних звезд, образовавшихся примерно через 180 миллионов лет после Большого взрыва . [49]
В статье, опубликованной 22 октября 2019 года, сообщалось об обнаружении 3MM-1 , массивной звездообразующей галактики на расстоянии около 12,5 миллиардов световых лет от нас, которая скрыта облаками пыли . [50] При массе около 10 10,8 солнечных масс она показала скорость звездообразования примерно в 100 раз выше, чем в Млечном Пути . [51]
Считается, что звезды разной массы формируются с помощью немного разных механизмов. Теория формирования звезд малой массы, которая хорошо подкреплена наблюдениями, предполагает, что звезды малой массы формируются путем гравитационного коллапса вращающихся повышений плотности внутри молекулярных облаков. Как описано выше, коллапс вращающегося облака газа и пыли приводит к образованию аккреционного диска, через который материя направляется на центральную протозвезду. Однако для звезд с массой выше примерно 8 M ☉ механизм звездообразования изучен недостаточно.
Массивные звезды испускают огромное количество излучения, которое отталкивает падающий материал. В прошлом считалось, что это давление излучения может быть достаточно значительным, чтобы остановить аккрецию на массивную протозвезду и предотвратить образование звезд с массой более нескольких десятков солнечных масс. [57] Недавние теоретические работы показали, что создание струи и оттока очищает полость, через которую большая часть излучения от массивной протозвезды может выходить, не препятствуя аккреции через диск и на протозвезду. [58] [59] В настоящее время считается, что массивные звезды, следовательно, могут образовываться с помощью механизма, похожего на тот, с помощью которого образуются звезды с малой массой.
Появляется все больше доказательств того, что по крайней мере некоторые массивные протозвезды действительно окружены аккреционными дисками. [60] Ожидается, что дисковая аккреция в протозвездах большой массы, подобно их маломассивным аналогам, будет демонстрировать всплески эпизодической аккреции в результате гравитационной нестабильности, приводящей к комковатым и нерегулярным темпам аккреции. Недавние свидетельства всплесков аккреции в протозвездах большой массы действительно были подтверждены наблюдениями. [60] [61] [62] Несколько других теорий образования массивных звезд еще предстоит проверить наблюдениями. Из них, возможно, наиболее выдающейся является теория конкурентной аккреции, которая предполагает, что массивные протозвезды «засеяны» маломассивными протозвездами, которые конкурируют с другими протозвездами за привлечение материи из всего родительского молекулярного облака, а не просто из небольшой локальной области. [63] [64]
Другая теория образования массивных звезд предполагает, что массивные звезды могут образовываться путем слияния двух или более звезд меньшей массы. [65]
Недавние исследования подчеркнули роль нитевидных структур в молекулярных облаках как начальных условий для формирования звезд. Результаты космической обсерватории Гершеля подчеркивают повсеместную природу этих нитей в холодной межзвездной среде (ISM). Пространственные отношения между ядрами и нитями указывают на то, что большинство дозвездных ядер расположены в пределах 0,1 пк сверхкритических нитей. Это подтверждает гипотезу о том, что нитевидные структуры действуют как пути для накопления газа и пыли, что приводит к формированию ядра. [66]
Как функция массы ядра (CMF), так и функция массы линии волокна (FLMF), наблюдаемые в Калифорнийском GMC, следуют степенному распределению на конце с высокой массой, что согласуется с начальной функцией массы Солпитера (IMF). Текущие результаты убедительно подтверждают существование связи между FLMF и CMF/IMF, демонстрируя, что эта связь сохраняется на уровне отдельного облака, в частности, Калифорнийского GMC. [66] Представленная FLMF представляет собой распределение локальных масс линий для полной однородной выборки волокон в пределах одного облака. Именно локальная масса линии волокна определяет его способность фрагментироваться в определенном месте вдоль его хребта, а не средняя масса линии волокна. Эта связь более прямая и обеспечивает более жесткие ограничения на происхождение CMF/IMF. [66]