Новая 3D-модель раскрывает скрытые химические процессы в звёздных яслях

Фото из открытых источников

Как молодые звезды изменяют форму облаков, из которых они рождаются? Новая трехмерная модель высокого разрешения, разработанная международной группой под руководством Брандта Гачеса из Университета Дуйсбург-Эссен, показывает, как неравномерная структура звездных яслей создает тени, которые изменяют их химический состав и влияют на инфракрасное излучение, наблюдаемое космическим телескопом Джеймса Уэбба. Модель опубликована в журнале Astronomy & Astrophysics.

Звезды рождаются внутри огромных облаков холодного газа и пыли. Когда массивные молодые звезды начинают светить, их интенсивное ультрафиолетовое излучение нагревает газ, расщепляет молекулы и запускает каскад химических реакций во внешних слоях облаков. Эти пограничные зоны известны как области фотодиссоциации, или области, где преобладают фотоны. Их свет дает астрономам важные подсказки о том, как формируются звезды и как газ перерабатывается для создания будущих поколений звезд и планет как в нашей собственной галактике, так и в исследованиях звездообразования на протяжении всей космологической истории.

«Светофор Ориона — идеальная природная лаборатория для изучения этих процессов», — говорит Брандт Гачес. Расположенный примерно в 1350 световых годах от Земли, он доступен для наблюдения с исключительной детализацией. «Мы видим его почти сбоку, поэтому его различные химические слои особенно легко различить. Это делает его эталоном для проверки моделей областей, где преобладают фотоны», — добавляет Гачес, возглавляющий исследовательскую группу имени Эмми Нётер по молекулярной астрофизике в Университете Дуйсбург-Эссен (UDE).

До настоящего времени модели области фотодиссоциации перемычки Ориона обычно представляли её как серию одномерных слоёв. Однако в действительности межзвёздные облака имеют комковатую и неправильную форму. Новая модель с высоким разрешением воспроизводит эту сложную трёхмерную структуру и подробно описывает поведение молекулярного водорода — самой распространённой молекулы во Вселенной — под воздействием интенсивного звёздного излучения.

Расчет распространения излучения через сложную трехмерную структуру перекладины Ориона требует значительных вычислительных ресурсов. «Мы разработали новый высокоэффективный алгоритм для преодоления этого вычислительного узкого места. Это позволило нам смоделировать перекладину Ориона в 3D с беспрецедентным пространственным разрешением», — говорит Чжэнпин Чжу из лаборатории Чжэцзян в Китае, разработавший алгоритм трассировки лучей, используемый в этих моделях.

Моделирование показывает, где происходят важные химические переходы, включая превращение атомарного водорода в молекулярный и рекомбинацию ионизированного углерода. Оно также демонстрирует, как неравномерная структура облака может создавать дуги и нити, наблюдаемые с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Плотные области блокируют часть поступающего излучения, создавая тени и экранированные участки, в которых химические процессы протекают по-разному.

«Трехмерная структура газа имеет решающее значение, — говорит Гачес. — Она создает тени и защищает части облака от интенсивного излучения. Это меняет химический состав и оставляет четкий след в инфракрасном и радиодиапазонах света, которые мы наблюдаем».

Эта модель также позволяет исследователям создавать реалистичные изображения того, как такая область должна выглядеть для телескопа JWST, и сравнивать их с тем, что телескоп видит на самом деле. Это дает возможность изучать, как трехмерная структура звездных яслей влияет на их химический состав таким образом, который более простые одномерные модели не могут воспроизвести.