Hvorfor de første stjerner ikke kunne vokse for evigt

Stjernedannelse i det tidlige univers var en kraftig proces, der skabte gigantiske stjerner. Disse giganter kaldte Population III -stjerner, og var massive, ekstremt lysende stjerner, der levede korte liv, hvoraf mange sluttede, da de eksploderede som primordiale supernovae.

Men selv disse tidlige stjerner stod over for vækstbegrænsninger.

Stellar feedback spiller en rolle i moderne stjernedannelse. Når unge stjerner vokser, udsender de kraftig stråling, der kan sprede gas i nærheden, de har brug for for at fortsætte med at vokse. Dette kaldes protostellar strålende feedback, og det finder sted ud over den restriktive effekt, deres magnetiske felter har på deres vækst.

Ny forskning viser imidlertid, at væksten af ​​POP III -stjerner var begrænset af deres magnetiske felter.

Forskningen er titlen “Magnetiske felter begrænser massen af ​​befolkning III -stjerner allerede før indtræden af ​​den protostellære strålingsfeedback.” Den førende forfatter er Piyush Sharda, en astrofysiker ved Leiden -observatoriet i Holland.

Papiret offentliggøres på arxiv Preprint Server.

Forskere observerer stjerner, der dannes i det moderne univers for at forstå, hvordan processen spiller ud. Dette er vanskeligt, fordi stjerner tager så meget tid at danne, mens vi kun har set unge stjerner fra en stor afstand i et par årtier. Stjerner er massive, energiske, komplekse genstande, der ikke let opgiver deres hemmeligheder.

Hvorfor de første stjerner ikke kunne vokse for evigt

Der er mange ubesvarede spørgsmål om stjernedannelse, men der er kommet et generelt billede. Det starter med en sky af koldt molekylært brint, der kollapser i tætte kerner. Disse kerner bliver protostarer, også kaldet Young Stellar Objects (YSOS). Der dannes akkretionsskiver omkring de unge stjerner, og det er her strålende feedback kommer ind.

Når unge stjerner akkiverer masse, opvarmes de. De udstråler denne varme udad i deres egne akkretionsskiver. Når materialet i disken opvarmes, bremser det eller stopper endda akkretionsprocessen. Så strålende feedback begrænser deres vækst.

YSOS roterer også hurtigere end mere modne stjerner. Rotationen skaber kraftfulde magnetiske felter, og disse felter driver jetfly fra YSO’s poler. Disse jetfly stjæler noget af akkretionsenergien og begrænser stjerners vækst. Jets kan også sprede noget af den omgivende gas, hvilket yderligere begrænser deres vækst.

Imidlertid kan billedet se anderledes ud for pop III -stjerner. Til at begynde med er deres eksistens hypotetisk på dette tidspunkt, skønt teori understøtter det. Hvis de er ægte, vil astrofysikere vide, hvordan de dannede sig, og hvad deres vækstgrænser var. Hvis de er ægte, spillede Pop III -stjerner en kritisk rolle i universet ved at smede de første metaller og sprede dem ud i rummet.

Ifølge forfatterne af den nye forskning har simuleringer ikke været grundige nok til at forklare masserne af befolkning III -stjerner.

Hvorfor de første stjerner ikke kunne vokse for evigt

“Masserne af befolkning III -stjerner er stort set ubegrænset, da der ikke findes nogen simuleringer, der tager alle relevante primordiale stjerneformationsfysik i betragtning,” Forfatterne skriver. “Vi udvikler simuleringerne, indtil 5.000 år poster dannelsen af ​​den første stjerne.”

I holdets mere grundige simuleringer, der inkluderer magnetiske felter og andre faktorer, er disse tidlige stjerner begrænset til ca. 65 solmasser. “Om 5.000 år er massen af ​​den mest massive stjerne 65 solmasser i RMHD -strålingsmagnetohydrodynamik -simuleringen sammenlignet med 120 solmasser i simuleringer uden magnetiske felter,” De skriver.

Resultaterne viser, at begge simuleringskørsler, der inkluderede magnetiske felter, er fragmenterede, hvilket fører til dannelse af POP III -stjerneklynger. Det betyder, at udviklingen af ​​de mest massive POP III -stjerner i begge kørsler påvirkes af tilstedeværelsen af ​​ledsagerstjerner.

Forskellen kommer ned på tyngdekraften og magnetiske felter, der arbejder mod hinanden. Efterhånden som unge stjerner akkiverer masse, øges deres tyngdekraft. Dette skulle trække mere materiale ind i stjernen. Men magnetiske felter modvirker tyngdekraften. Alt dette sker, før strålende feedback er aktiv.

Resultaterne viser også, at i begge simuleringer, der inkluderer magnetiske felter, stiger mængden af ​​masse, der når konvolutten, oprindeligt, og falder derefter. Resultaterne var imidlertid forskellige i simuleringerne uden magnetiske felter. I disse simuleringer er masseoverførsel fra konvolutten til akkretionsdisken hurtig i starten, hvilket skaber et fald i massen i konvolutten og en opbygning af masse på disken.

“Denne masse er følgelig akkrediteret af stjernen i en høj hastighed,” Forfatterne siger det.

“Vi lærer, at magnetfelter begrænser mængden af ​​gas, der er inkalning på konvolutten på senere stadier ved at handle mod tyngdekraften, hvilket fører til masseudtømning inden for akkretionsdisken,” Forfatterne forklarer yderligere. “Den maksimale stjernernes masse af befolkning III -stjerner er således allerede begrænset af magnetiske felter, selv før akkretionshastigheden falder for at muliggøre betydelig protostellær strålende feedback.”

Selvom befolkning III -stjerner kun er hypotetiske, er vores teorier om fysisk kosmologi afhængige af deres eksistens. Hvis de ikke eksisterede, er der noget grundlæggende ved universet, der er uden for vores greb. Vores kosmologiske teorier gør imidlertid et godt stykke arbejde med at forklare, hvad vi ser omkring os i universet i dag. Hvis vi lægger penge på det, skal du placere dine væddemål på pop III -stjerner, der er reelle.

“Strålingsfeedback er længe blevet foreslået som den primære mekanisme, der stopper væksten af ​​POP III -stjerner og indstiller den øverste masseafskæring af POP III IMF (indledende massefunktion),” Forfatterne skriver i deres konklusion. De viser, at magnetfelter kan begrænse stjernevækst, før feedbackmekanismer kommer i spil.

“Dette arbejde lægger det første skridt i opbygningen” Holdet afslutter.