Hành trình vũ trụ hướng tới sự hình thành sao và hành tinh

Khí phân tử trong các thiên hà được tổ chức thành một hệ thống cấu trúc. Vật liệu phân tử trong các đám mây khí phân tử khổng lồ di chuyển dọc theo các mạng lưới khí phức tạp hướng tới các trung tâm khí và bụi bị tắc nghẽn, nơi nó bị nén thành các ngôi sao và hành tinh, giống như hàng triệu người đi làm ở các thành phố trên khắp thế giới.

Để hiểu rõ hơn về quá trình này, một nhóm các nhà thiên văn học do Jonathan Henshaw tại Viện Thiên văn học Max Planck (MPIA) dẫn đầu đã đo chuyển động của dòng khí từ các thiên hà rơi xuống quy mô của các khối khí trong đó các ngôi sao riêng lẻ hình thành. Kết quả của họ cho thấy khí chảy qua từng thang đo được kết nối với nhau một cách linh hoạt: trong khi sự hình thành sao và hành tinh xảy ra ở quy mô nhỏ nhất, quá trình này được kiểm soát bởi một loạt các dòng vật chất bắt đầu trên quy mô thiên hà. Những kết quả này được công bố ngày hôm nay trên tạp chí khoa học Nature Astronomy .

Khí phân tử trong các thiên hà được thiết lập chuyển động bằng các cơ chế vật lý như quay thiên hà, vụ nổ siêu tân tinh, từ trường, nhiễu loạn và trọng lực, định hình cấu trúc của khí. Hiểu được những chuyển động này ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành sao và hành tinh như thế nào, bởi vì nó đòi hỏi phải định lượng chuyển động khí trên một phạm vi rất lớn trong quy mô không gian, và sau đó liên kết chuyển động này với các cấu trúc vật lý mà chúng ta quan sát được. Các cơ sở vật lý thiên văn hiện đại hiện nay thường xuyên lập bản đồ các khu vực rộng lớn trên bầu trời với một số bản đồ chứa hàng triệu pixel, mỗi pixel có hàng trăm đến hàng nghìn phép đo vận tốc độc lập. Kết quả là, đo lường các chuyển động này là cả thách thức về mặt khoa học và công nghệ.

Để giải quyết những thách thức này, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do Jonathan Henshaw tại MPIA ở Heidelberg dẫn đầu đã tiến hành đo chuyển động khí trong nhiều môi trường khác nhau bằng cách sử dụng các quan sát khí trong Dải Ngân hà và một thiên hà gần đó. Họ phát hiện những chuyển động này bằng cách đo sự thay đổi rõ ràng về tần số ánh sáng phát ra từ các phân tử gây ra bởi chuyển động tương đối giữa nguồn sáng và người quan sát; một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Doppler. Bằng cách áp dụng phần mềm mới lạ được thiết kế bởi Henshaw và Ph.D. sinh viên Manuel Riener (đồng tác giả của bài báo, cũng tại MPIA), nhóm đã có thể phân tích hàng triệu phép đo. “Phương pháp này cho phép chúng tôi hình dung ra môi trường liên sao theo một cách mới,” Henshaw nói.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các chuyển động khí phân tử lạnh dường như dao động về vận tốc, gợi nhớ đến sự xuất hiện của sóng trên bề mặt đại dương. Những dao động này đại diện cho chuyển động khí. Henshaw nói: “Bản thân các biến động không đặc biệt đáng ngạc nhiên, chúng tôi biết rằng khí đang chuyển động”. Steve Longmore, đồng tác giả của bài báo, có trụ sở tại Đại học Liverpool John Moores, cho biết thêm: “Điều làm chúng tôi ngạc nhiên là cấu trúc vận tốc của các khu vực khác nhau này xuất hiện như thế nào. Không quan trọng nếu chúng ta nhìn vào toàn bộ thiên hà hoặc một thiên hà đám mây riêng lẻ trong thiên hà của chúng ta, cấu trúc ít nhiều giống nhau. “

Để hiểu rõ hơn về bản chất của các luồng khí, nhóm đã chọn một số khu vực để kiểm tra chặt chẽ, sử dụng các kỹ thuật thống kê tiên tiến để tìm kiếm sự khác biệt giữa các biến động. Bằng cách kết hợp nhiều phép đo khác nhau, các nhà nghiên cứu có thể xác định mức độ dao động của vận tốc phụ thuộc vào quy mô không gian.

Henshaw giải thích: “Một tính năng gọn gàng của các kỹ thuật phân tích của chúng tôi là chúng nhạy cảm với tính tuần hoàn. Nếu có các mẫu lặp lại trong dữ liệu của bạn, chẳng hạn như các đám mây phân tử khổng lồ cách đều nhau dọc theo một nhánh xoắn ốc, chúng ta có thể xác định trực tiếp quy mô mà mẫu đó lặp lại.” Nhóm nghiên cứu đã xác định được ba luồng khí dạng sợi, mặc dù có các vảy khác nhau rất lớn, tất cả dường như cho thấy cấu trúc gần như cách đều nhau dọc theo các đỉnh của chúng, giống như các chuỗi trên chuỗi, cho dù đó là những đám mây phân tử khổng lồ dọc theo một nhánh xoắn ốc hay “lõi” nhỏ “Hình thành các ngôi sao dọc theo dây tóc.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các dao động vận tốc liên quan đến cấu trúc cách đều nhau đều cho thấy một mô hình đặc biệt. “Các dao động trông giống như sóng dao động dọc theo các đỉnh của sợi, chúng có biên độ và bước sóng được xác định rõ”, Henshaw nói thêm, “Khoảng cách định kỳ của các đám mây phân tử khổng lồ trên quy mô lớn hoặc các lõi hình thành sao riêng lẻ trên nhỏ -scales có lẽ là kết quả của các sợi mẹ của chúng trở nên không ổn định về mặt hấp dẫn. Chúng tôi tin rằng các dòng dao động này là dấu hiệu của dòng khí chạy dọc theo các nhánh xoắn ốc hoặc hội tụ về các đỉnh mật độ, cung cấp nhiên liệu mới cho sự hình thành sao. “

Ngược lại, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các dao động vận tốc được đo trong các đám mây phân tử khổng lồ, trên các thang đo trung gian giữa toàn bộ các đám mây và các lõi nhỏ bên trong chúng, cho thấy không có thang đo đặc trưng rõ ràng. Diederik Kruijssen, đồng tác giả của bài báo có trụ sở tại Đại học Heidelberg giải thích: “Mật độ và cấu trúc vận tốc mà chúng ta thấy trong các đám mây phân tử khổng lồ là ‘không có quy mô’, bởi vì dòng khí hỗn loạn tạo ra các cấu trúc hỗn loạn này, tiết lộ từ trước đến nay dao động nhỏ hơn khi bạn phóng to – giống như bông cải xanh Romanesco hoặc bông tuyết. Hành vi không có quy mô này diễn ra giữa hai thái cực được xác định rõ: quy mô lớn của toàn bộ đám mây và quy mô nhỏ của lõi tạo thành các ngôi sao riêng lẻ Bây giờ chúng ta thấy rằng các cực trị này có kích thước đặc trưng được xác định rõ,

Hãy hình dung những đám mây phân tử khổng lồ như những thành phố lớn cách đều nhau được kết nối bằng đường cao tốc. Từ góc nhìn của loài chim, cấu trúc của những thành phố này và những chiếc ô tô và con người di chuyển qua chúng, có vẻ hỗn loạn và rối loạn. Tuy nhiên, khi chúng ta phóng to những con đường riêng lẻ, chúng ta thấy những người đi từ xa đến cá nhân của họ, các tòa nhà văn phòng một cách có trật tự. Các tòa nhà văn phòng đại diện cho các lõi khí dày đặc và lạnh lẽo từ đó các ngôi sao và hành tinh được sinh ra.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Max-Planck-Gesellschaft . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Jonathan D. Henshaw, JM Diederik Kruijssen, Steven N. Longmore, Manuel Riener, Adam K. Leroy, Erik Rosolowsky, Adam Ginsburg, Cara Battersby, Mélanie Chevance, Sharon E. Meidt, Simon CO Glover, Annie Hughes S. Klessen, Eva Schinnerer, Andreas Schruba, Henrik Beuther, Frank Bigiel, Guillermo A. Blanc, Eric Emsellem, Thomas Henning, Cynthia N. Herrera, Eric W. Koch, Jérôme Pety, Sarah E. Ragan, Jiayi Sun. Dao động vận tốc phổ biến trong toàn bộ môi trường liên sao . Thiên văn học thiên nhiên , 2020; DOI: 10.1038 / s41550-020-1126-z