Vortisitas muncul dari zona mati di cakram di sekitar bintang yang baru terbentuk dan membantu bintang menyelesaikan proses kelahirannya.
Sebuah teori baru oleh para ahli dinamika fluida di University of California, Berkeley, menunjukkan bagaimana "vortisitas zombie" membantu mengarah pada kelahiran bintang baru.
Pelaporan awal minggu ini (20 Agustus 2013) di jurnal Surat Tinjauan Fisik, sebuah tim yang dipimpin oleh fisikawan komputasi Philip Marcus menunjukkan bagaimana variasi dalam kepadatan gas menyebabkan ketidakstabilan, yang kemudian menghasilkan pusaran seperti pusaran air yang dibutuhkan bintang untuk terbentuk.
Konsep seniman katai coklat, yang terlihat oleh Teleskop Luar Angkasa Spitzer NASA, dikelilingi oleh piringan protoplanet berputar. Peneliti UC Berkeley telah mengembangkan model yang menunjukkan bagaimana vortisitas membantu destabilisasi piringan sehingga gas dapat berputar ke dalam menuju bintang pembentuk. Gambar milik NASA / JPL-Caltech
Para astronom menerima bahwa dalam langkah pertama kelahiran bintang baru, awan gas padat runtuh menjadi rumpun yang, dengan bantuan momentum sudut, berputar menjadi satu atau lebih cakram mirip-Frisbee di mana protobintang mulai terbentuk. Tetapi agar protobintang tumbuh lebih besar, piringan berputar perlu kehilangan beberapa momentum sudutnya sehingga gas dapat melambat dan berputar ke dalam ke dalam protobintang. Begitu protobintang memperoleh massa yang cukup, ia dapat memulai fusi nuklir.
"Setelah langkah terakhir ini, sebuah bintang lahir," kata Marcus, seorang profesor di Departemen Teknik Mesin.
Apa yang menjadi kabur adalah persis bagaimana disk cloud melepaskan momentum sudutnya sehingga massa dapat masuk ke protobintang.
Kekuatan destabilisasi
Teori terkemuka dalam astronomi bergantung pada medan magnet sebagai kekuatan destabilisasi yang memperlambat cakram. Satu masalah dalam teori adalah bahwa gas perlu diionisasi, atau diisi dengan elektron bebas, untuk berinteraksi dengan medan magnet. Namun, ada daerah dalam cakram protoplanet yang terlalu dingin untuk terjadi ionisasi.
"Model saat ini menunjukkan bahwa karena gas dalam disk terlalu dingin untuk berinteraksi dengan medan magnet, disk sangat stabil," kata Marcus. "Banyak daerah yang sangat stabil sehingga para astronom menyebutnya zona mati - jadi tidak jelas bagaimana materi cakram mendestabilisasi dan runtuh ke bintang."
Para peneliti mengatakan model saat ini juga gagal memperhitungkan perubahan dalam kepadatan gas disk protoplanet berdasarkan ketinggiannya.
Ilustrasi lingkungan bintang dekat dari bintang Beta Pictoris. Gambar ini didasarkan pada pengamatan yang dilakukan dengan Spektrograf Resolusi Tinggi Goddard di atas Teleskop Luar Angkasa Hubble. Gambar oleh Dana Berry, Space Telescope Science Institute
"Perubahan dalam kepadatan ini menciptakan celah bagi ketidakstabilan dengan kekerasan," kata rekan penulis studi Pedram Hassanzadeh, yang melakukan pekerjaan ini sebagai UC Berkeley Ph.D. mahasiswa teknik mesin. Ketika mereka memperhitungkan perubahan kepadatan dalam model komputer mereka, vortisitas 3-D muncul dalam disk protoplanet, dan vortisitas tersebut memunculkan lebih banyak vortisitas, yang mengarah pada gangguan pada akhirnya momentum momentum disk protoplanet.
"Karena vortisitas muncul dari zona mati ini, dan karena generasi baru vortisitas raksasa berbaris melintasi zona mati ini, kami dengan sayang menyebutnya sebagai 'vortis zombie,'" kata Marcus. "Vortisitas zombie mendestabilkan gas yang mengorbit, yang memungkinkannya jatuh ke protobintang dan menyelesaikan formasinya."
Para peneliti mencatat bahwa perubahan dalam kepadatan vertikal cairan atau gas terjadi di seluruh alam, dari lautan - di mana air di dekat bagian bawah lebih dingin, lebih asin dan lebih padat daripada air di dekat permukaan - ke atmosfer kita, di mana udara lebih tipis di ketinggian lebih tinggi . Perubahan kepadatan ini sering menciptakan ketidakstabilan yang mengakibatkan turbulensi dan vortisitas seperti pusaran air, angin topan, dan tornado. Atmosfer variabel-kepadatan Jupiter menampung banyak vortisitas, termasuk Bintik Merahnya yang terkenal.
Menghubungkan langkah-langkah yang mengarah ke kelahiran bintang
Model baru ini telah menarik perhatian rekan-rekan Marcus di UC Berkeley, termasuk Richard Klein, profesor astronomi tambahan dan astrofisika teoretis di Lawrence Livermore National Laboratory. Klein dan sesama ahli formasi bintang Christopher McKee, profesor fisika dan astronomi UC Berkeley, bukan bagian dari pekerjaan yang dijelaskan dalam Physical Review Letters, tetapi bekerja sama dengan Marcus untuk menempatkan vortisitas zombie melalui tes lebih lanjut.
Ilustrasi piringan protoplanet berdasarkan pengamatan dari teleskop Keck II. Gambar milik Observatorium W. M. Keck
Klein dan McKee telah bekerja selama dekade terakhir untuk menghitung langkah-langkah penting pertama pembentukan bintang, yang menggambarkan runtuhnya awan gas raksasa ke dalam cakram mirip-Frisbee. Mereka akan berkolaborasi dengan tim Marcus dengan memberi mereka kecepatan, suhu, dan kerapatan disk yang terkomputasi yang mengelilingi protostars. Kolaborasi ini akan memungkinkan tim Marcus untuk mempelajari pembentukan dan pawai vortisitas zombie dalam model disk yang lebih realistis.
"Tim peneliti lain telah menemukan ketidakstabilan dalam cakram protoplanet, tetapi bagian dari masalahnya adalah bahwa ketidakstabilan itu membutuhkan agitasi terus-menerus," kata Klein. "Hal yang menyenangkan tentang vortisitas zombie adalah mereka mereplikasi diri sendiri, jadi bahkan jika kamu mulai dengan hanya beberapa vortisitas, mereka pada akhirnya dapat menutupi zona mati di dalam disk."
Rekan penulis UC Berkeley lainnya dalam penelitian ini adalah Suyang Pei, Ph.D. mahasiswa, dan Chung-Hsiang Jiang, peneliti postdoctoral, di Departemen Teknik Mesin.
National Science Foundation membantu mendukung penelitian ini.
Melalui UC Berkeley