Учёные МГУ описали столкновение ударной волны и «звёздной колыбели»

Математик из МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с российским коллегой смоделировал образование нитевидных скоплений вещества — филаментов — при столкновении ударной волны с молекулярными облаками в межзвёздной среде. Работа поможет учёным лучше понять, как образуются звёзды и звёздные системы. Результаты исследования опубликованы в журнале Computers and Fluids.

Авторы работы рассматривали ситуацию, когда ударная волна от взрыва сверхновой доходит до молекулярных облаков – межзвёздных скоплений вещества с большой плотностью. Гигантские молекулярные облака также известны как «звёздные колыбели», так как в них образуются новые звёзды. Ударная волна перемещается со сверхзвуковой скоростью и изменяет структуру облака, образует области с высокой и низкой плотностью и нитевидные структуры — филаменты. Вместе с тем столкновение порождает потоки вещества и искривляет их траектории, вызывая завихрения на внешних границах облака. Это явление известно как неустойчивость Рихтмайера – Мешкова. Тот факт, что несколько сложных процессов идут параллельно, затрудняет моделирование столкновения.

Учёные предложили модель, описывающую образование завихрения вещества и филаментов после прохождения ударной волны. Они рассмотрели влияние распределения плотности по радиусу и формы облаков на процесс взаимодействия ударной волны c молекулярными облаками, возникновение и перераспределение потоков вещества, образование филаментов и, как результат, формирование областей большой плотности.

«Для проведения расчётов была написана, отлажена и протестирована трёхмерная программа, которая позволяет осуществлять математическое моделирование процессов ударного взаимодействия молекулярных облаков и возможное образование новых звёзд и звёздных систем», — рассказал профессор механико-математического факультета МГУ Борис Рыбакин.

От созданных ранее эту модель отличает высокое разрешение: она включает более 4 миллиардов вычислительных узлов. Чтобы сократить время обработки большого объёма данных, учёные используют параллельные вычисления: работа с различными группами данных ведётся одновременно и независимо.

Моделирование показало, что формирование филаментов и неравномерность распределения плотности зависят в первую очередь от сжатия вещества облака под действием ударной волны. Оно также позволило выделить три фазы столкновения ударной волны с облаком. На первом этапе за фронтом волны образуются вихревые структуры. На втором происходит дальнейшее распространение ударной волны и возникновение неустойчивости Рихтмайера – Мешкова, потоки вещества на границах облака ускоряются. На последнем этапе в областях с высокой плотностью возникают зародыши филаментов и формируются очень плотные протоядра, зародыши будущих звёзд.

Авторы статьи рассчитывают, что продолжение работы с моделью и её совершенствование помогут понять, как в плотных областях молекулярных облаков образуются новые звёзды и звёздные системы.

«Данные, полученные в последнее время, показывают, что процесс звездообразования в нашей галактике замедляется. В год образуется несколько звёзд, несмотря на то, что “вещества” хватает на возникновение нескольких сотен звёзд. С другой стороны, недавно открыты галактики, в которых процесс звездообразования очень интенсивен», – добавил Борис Рыбакин.

Исследование проводилось совместно с учёным из Тверского государственного технического университета.

Фото: Образование филаментов при столкновении ударной волны с двумя молекулярными облаками. Источник: Валерий Горячев и Борис Рыбакин