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Simulationen zeigen, wie sich durch eine magnetisierte Molekülwolke ausbreitende Stoßwellen radiale Filamente formen und Gas in ein dichtes Zentrum leiten, in dem Sterne entstehen. | Bildnachweis: Links: MSN Kumar, ESA/Herschel, NASA/JPL-Caltech (Spitzer); Rechts: S. Nozaki und S. Inutsuka
Einige der spektakulärsten Sternentstehungsgebiete der Galaxie ähneln riesigen kosmischen Wagenrädern mit speichenartigen Strukturen, die laut Wissenschaftlern durch Schockwellen von Sternexplosionen und starke Sternwinde geformt wurden.
Mithilfe leistungsstarker 3D-Modelle haben Forscher der Kyushu-Universität und der Universität Nagoya in Japan entdeckt, dass sich durch riesige Gaswolken ausbreitende Stoßwellen speichenartige Filamente formen können, wie sie häufig um junge Sterne beobachtet werden. Laut der Kyushu-Universität könnten diese Erkenntnisse dazu beitragen, die Entstehung sogenannter «Naben-und-Filament»-Systeme zu erklären – riesige Sternentstehungsgebiete, in denen lange Gasströme auf eine dichte zentrale Nabe zustrahlen und ein Muster bilden, das an die Speichen eines Rades erinnert.
«Sterne entstehen in Molekülwolken – riesigen, kalten Gaswolken, die durch den Weltraum treiben», erklärte Shingo Nozaki, Hauptautor der Studie, in einer Stellungnahme. «Sie bilden sich jedoch nur in den kältesten und dichtesten Bereichen dieser Sternentstehungsgebiete, wo das Gas durch seine eigene Schwerkraft komprimiert werden kann. In einigen dieser Sternentstehungsregionen ist das Gas in charakteristischen Zentrum-und-Speichen-Strukturen organisiert, die als Zentrum-Filament-Systeme (HFS) bekannt sind.«.
Astronomen haben diese Strukturen in der gesamten Milchstraße beobachtet, doch der genaue Entstehungsmechanismus blieb bisher ungeklärt. Ein Forscherteam nutzte nun fortschrittliche dreidimensionale magnetohydrodynamische Modelle, um diesen Prozess zu rekonstruieren. Die Studie ergab, dass sich durch riesige Molekülwolken ausbreitende Stoßwellen auf natürliche Weise zu den markanten, radförmigen Strukturen formen können, die in einigen der aktivsten Sternentstehungsgebiete der Galaxie beobachtet werden.
Viele Sternentstehungsgebiete enthalten schmale Filamente, die Material nach innen in Richtung der dicht besiedelten Zentralregionen leiten, wo die Sternentstehung stattfindet. Das Verständnis der Entstehung dieser Filamente ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich Gas ansammelt und schließlich kollabiert, um neue Sterne zu bilden.
Für die Studie erzeugten die Wissenschaftler eine virtuelle Molekülwolke, die von Magnetfeldern durchdrungen war, und führten Simulationen auf dem Supercomputer ATERUI III durch, der für die astronomische Forschung entwickelt wurde. Zunächst beobachteten sie, wie die Schwerkraft die Magnetfelder nach innen zog und so eine sanduhrförmige Struktur erzeugte. Anschließend setzte das Team die Wolke einer simulierten interstellaren Stoßwelle aus, ähnlich jenen, die von expandierenden Supernova-Überresten oder starken Sternwinden erzeugt werden. Das Ergebnis war ein bemerkenswert realistisches «Kern-Filament»-System.
Als sich die Stoßwelle durch die Wolke ausbreitete, traf sie in unterschiedlichen Winkeln auf verschiedene Abschnitte des gekrümmten Magnetfelds. Dadurch entstanden schräge Stoßwellen, die Teile des Felds verstärkten und die bevorzugten Wege für den Gasfluss bestimmten. Mit der Zeit lenkten diese Kanäle das Material in längliche Filamente, die sich zum zentralen Punkt hin erstreckten und die speichenartige Struktur bildeten, die durch ein Teleskop sichtbar ist.
Die Simulationen verfolgten auch die Bewegung von Materie in Sternentstehungsgebieten. Dichtes Gas strömt tendenziell entlang der Filamente und beschleunigt dabei, wenn es sich dem Zentrum nähert, während die weniger dichte Materie zwischen den Speichen relativ stationär bleibt. Laut den Forschern könnte dieses Verhalten dazu beitragen zu erklären, warum nur ein kleiner Teil des Gases in Molekülwolken letztendlich Sterne bildet.
Die Modellierung der Wechselwirkungen von Gravitation, Magnetfeldern und Stoßwellen über Millionen von Jahren ermöglicht es Forschern, Prozesse zu untersuchen, die sich sonst nur schwer direkt beobachten lassen. Zukünftige Studien werden ein breiteres Spektrum an Wolkenstrukturen und Ausbreitungsbedingungen von Stoßwellen untersuchen und möglicherweise klären, warum Kern-Filament-Systeme in der gesamten Galaxie variieren. Zudem liefern sie neue Erkenntnisse über die Entstehung massereicher Sterne und Sternhaufen. Die Ergebnisse deuten auch auf einen umfassenderen kosmischen Zyklus von Zerstörung und Entstehung hin, in dem Stoßwellen sterbender Sterne die Umgebung prägen, in der neue Sterne entstehen.
Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden am 18. März in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.