Ученые из МГУ им. М.В. Ломоносова и Тверского государственного технического университета провели самое детализированное моделирование процессов столкновения ударной волны от вспышки сверхновой с молекулярным газом. Подобные столкновения приводят к образованию протозвезд, которые на данный момент по не вполне ясным причинам в нашей Галактике «зажигаются» крайне редко. Соответствующая статья опубликована в Computers & Fluids.
Современная теория звездообразования, выросшая из наблюдений за протозвездами, уже знает, что они возникают не спонтанно, а под действием близкого взрыва сверхновой. Ударная волна от взрыва создает области повышенной плотности молекулярного газа (главным образом — водорода), рассеянного в подтипе межзвездных облаков, которые так и называют — молекулярными облаками. Однако этих достаточно общих знаний недостаточно, чтобы ответить на ряд важных вопросов. Например, в нашей Галактике достаточно молекулярного газа, чтобы образовывать десятки звезд в год, но на практике их образуется хорошо если несколько. В то же время из наблюдений за другими галактиками известно, что там новых звезд рождается во много раз больше.
Очевидно, есть какие-то тонкости в формировании протозвезд, понимание которых необходимо, чтобы выяснить, почему в одних галактиках звезд рождается больше, а в других — меньше. Этот вопрос интересен и в плане исследований Солнечной системы — когда-то она тоже образовалась под действием близкого взрыва сверхновой звезды. Прояснить эту проблему прямыми наблюдениями сложно: в деталях рассмотреть, что внутри облака, довольно непросто. Здесь и наступает «звездный час» компьютерного моделирования — оно является одним из самых мощных инструментов изучения подобных процессов.
Авторы новой работы построили математическую модель того, что происходит в двух сферических облаках молекулярного газа, когда на них обрушивается фронт ударной волны близкого взрыва сверхновой. Модель имела более двух миллиардов эмулируемых узлов, то есть была чрезвычайно детальной, поэтому для ее запуска использовалась система параллельных вычислений на многопроцессорной платформе.
Оказалось, что формирование нитей и неправильностей в структуре облаков (именно такие неправильности и создают возможность для схлопывания газа в протозвезды) зависит главным образом от сжатия газа в районе фронта ударной волны. Согласно модели, после соприкосновения ударной волны и молекулярных облаков у них есть три фазы взаимодействия. В первой вихреобразные структуры из газа формируются за фронтом ударной волны. На второй ударная волна идет дальше этих вихрей. Тогда возникает нестабильность Рихтмайера-Мешкова, за счет которой нарушается распределение материи сразу во всем молекулярном облаке, даже в тех его частях, через которые еще не прошла ударная волна, — на внешних границах. На последней, третьей стадии нити возмущенной ударной волной материи достигают тех частей облака, где в силу нестабильности возникли вихри, и, попадая в их самые плотные области, дополнительно наращивают там плотность. Здесь и образуются протозвезды.
Исследование впервые позволило столь детально изучить процесс образования звезд под действием взрывов сверхновых. Как отмечают авторы, та часть выводов работы, которая может быть подтверждена наблюдениями за внешними частями молекулярных облаков, действительно совпадает с уже известными фактами, что поднимает ценность полученных моделированием данных.