Нижняя граница масс объектов, образующихся путем гравитационной неустойчивости

[Бобр-99]

Еще один интересный результат, полученный JWST
https://arxiv.org/pdf/2310.01231.pdf
Как известно, звезды и коричневые карлики образуются в ядрах гигантских молекулярных облаков по механизму гравитационной неустойчивости. Но возникает вопрос – как далеко простирается спектр масс таких объектов? По наблюдениям, проведенным ранее, стало ясно, что он простирается как минимум до 3-5 масс Юпитера, т.е. в диапазон планетных масс. Более легкие объекты наблюдать очень трудно, потому что они очень тусклые и быстро остывают с возрастом.
Чтобы разобраться с этим вопросом, Сэмюэль Пирсон (Samuel Pearson) с коллегой Mark McCaughrean (не знаю, как это произнести по-русски) наблюдали с помощью NIRCam скопление Трапеции – ближайшую (390 ± 2 пк) к нам область звездообразования возрастом 0.5-2 млн. лет. Внутренняя часть скопления поперечником 0.5 пк содержит около 2000 звезд, что соответствует звездной плотности 50 тыс. звезд на кубический парсек. Спектр масс членов скопления простирается от O звезд до M карликов, коричневых карликов и еще более легких тел.
Наблюдения были проведены 26 сентября и 2 октября 2022 года, полное время наблюдений составило почти 35 часов. Авторы исходили из того, что объекты массами 1-13 масс Юпитера будут иметь эффективные температуры 890-2520 К, а максимум их излучения будет лежать в диапазоне 1-3.3 мкм. Сравнение блеска в нескольких спектральных полосах помогло отделить молодые объекты планетных масс от скрытых пылью и оттого сильно покрасневших коричневых карликов фона и далеких галактик.
В итоге авторы обнаружили 540 объектов с массами от 0.6 до 13 масс Юпитера. При этом найдено 40 двойных систем и 3 визуальные тройные. Это неожиданно, поскольку степень кратности (доля звезд, входящих в двойные и кратные системы) падает в ряду от O до M звезд. Продолжая эту зависимость в сторону объектов малых масс, авторы ожидали найти долю их двойственности близкой к нулю, но нет, она как минимум равна 9%. Типичные расстояния между компонентами пар составили 25-390 а.е.
Авторы пока не знают, сформировались ли эти объекты как звезды, путем гравитационной неустойчивости ядер ГМО, или как планеты в протопланетных дисках, а потом были выброшены из них. Но большое количество широких пар говорит в пользу первого сценария. Это означает, что спектр масс при звездообразовании не имеет резкой границы снизу, что вообще говоря удивительно.

А почему это удивительно?

[vika vorobyeva]

Это означает, что спектр масс при звездообразовании не имеет резкой границы снизу, что вообще говоря удивительно.

А почему это удивительно?

Потому что есть классическая теория гравитационной неустойчивости в газе Джинса. Решая задачу о распространении акустических волн в самогравитирующем газе, он нашел, что существует определенная критическая длина волны, при превышении которой начальное уплотнение в газе будет усиливаться тяготением.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%B5%D1%83%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%B9%D1%87%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C
То есть обособляться и коллапсировать в плотный объект могут только достаточно большие "куски газа", поскольку акустические волны с длиной волны меньше радиуса Джинса останутся акустическими волнами и не приведут к образованию плотных тел.

Mark McCaughrean (не знаю, как это произнести по-русски)

По-русски пишется Маккогрин. На английском звучит  məˈkɔːkrən

Спасибо!

[Скеп-тик]

Потому что есть классическая теория гравитационной неустойчивости в газе Джинса.

Однако при гравитационном коллапсе основную роль играет пыль. Не по массе, а как холодильник, снижающий температуру в области коллапса. У "мелочи" отношение поверхность/масса значительно больше, чем у крупных тел.
Даже в нашей Солнечной системе это хорошо видно: Солнце - одно, планет 8, плутино - больше десятка, тел диаметром 1000± км - уже к сотне. Комет и астероидов до 100 км - вообще не счесть.

[Olweg]

Но ведь кометы и прочая мелочь образуются не коллапсом. А для аккреции в молекулярных облаках слишком низкая плотность в-ва.

[vika vorobyeva]

Боюсь, мы оффтопим
Может, попросить модераторов вынести последние сообщения в отдельную тему и назвать ее, например, "Нижняя граница масс объектов, образующихся путем гравитационной неустойчивости"?
Мне кажется, тут есть что обсудить.

[Фантазер]

То есть обособляться и коллапсировать в плотный объект могут только достаточно большие "куски газа", поскольку акустические волны с длиной волны меньше радиуса Джинса останутся акустическими волнами и не приведут к образованию плотных тел.

  А могут ли планеты,коих в галактике в сотни раз больше звёзд,попадая в большие молекулярные облака стать центром звездообразования. Ну,как песчинка в образовании жемчужины?

[Vavanzer]

То есть обособляться и коллапсировать в плотный объект могут только достаточно большие "куски газа", поскольку акустические волны с длиной волны меньше радиуса Джинса останутся акустическими волнами и не приведут к образованию плотных тел.

  А могут ли планеты,коих в галактике в сотни раз больше звёзд,попадая в большие молекулярные облака стать центром звездообразования. Ну,как песчинка в образовании жемчужины?

Я подобный вопрос неоднократно поднимал в различных темах. Но это какая то запрещенная тема к обсуждению, я так понял))) Хотя в природе это явление "эффекта жемчужины"  просто обязано иметь место, тк одиночные мелкие объекты вне звездных систем давно уже обнаружены.  Почему то уперлись в один единственный сценарий - гравитационный коллапс газового облака, как будто мы всетещетвтранней Вселенной живем, когда толком ничего не было, кроме газа))

[Скеп-тик]

Но ведь кометы и прочая мелочь образуются не коллапсом. А для аккреции в молекулярных облаках слишком низкая плотность в-ва.

Коллапсом, но на первом, микрометры-миллиметры, этапе, основную роль играет электростатика - опять пыль. Сила в 40 тыс раз более могучая, чем гравитация. Та же пыль способствует абсорбции газовых молекул, внутри молекулярно-пылевых облаков температура много ниже 20°К, которая "средняя по Галактике".
Но когда загораются звёзды и температура растёт - главенствующей становится гравитация. К этому времени "мелочь" будет лидировать по количеству. Но не по массе.

[Olweg]

Давайте использовать общепринятые термины. Насколько я понимаю, «коллапс» применяется именно в отношении гравитационных сил.

[Foma]

То есть обособляться и коллапсировать в плотный объект могут только достаточно большие "куски газа", поскольку акустические волны с длиной волны меньше радиуса Джинса останутся акустическими волнами и не приведут к образованию плотных тел.

  А могут ли планеты,коих в галактике в сотни раз больше звёзд,попадая в большие молекулярные облака стать центром звездообразования. Ну,как песчинка в образовании жемчужины?

Я подобный вопрос неоднократно поднимал в различных темах. Но это какая то запрещенная тема к обсуждению, я так понял))) Хотя в природе это явление "эффекта жемчужины"  просто обязано иметь место, тк одиночные мелкие объекты вне звездных систем давно уже обнаружены.  Почему то уперлись в один единственный сценарий - гравитационный коллапс газового облака, как будто мы всетещетвтранней Вселенной живем, когда толком ничего не было, кроме газа))

То, о чем вы говорите, называется аккрецией Бонди. Ее темп определяется радиусом гравитационного захвата или радиусом Бонди R:

где ρ - плотность среды, v - скорость тела в среде или местная скорость звука c_s.
Итоговая эволюция массы выглядит как

Отсюда можно оценить характерный временной масштаб аккреции: для тел планетных масс и при любых разумных плотностях молекулярного облака он оказывается на много порядков больше времени жизни Вселенной. С точки зрения звездообразования этот механизм совершенно маргинален.

[vika vorobyeva]

Насколько я понимаю, масса газа (водорода и гелия) на два порядка больше массы всех остальных тяжелых элементов. Поэтому роль пыли заключается в охлаждении газа, что приводит к уменьшению радиуса Джинса. Ядро ГМО начинает сжиматься и высвечивает гравитационную энергию через излучение в дальнем ИК как раз благодаря пыли, температура газа при этом не растет и может даже уменьшаться. Поскольку радиус Джинса при этом уменьшается еще быстрее, коллапсировать начинают отдельные части сжимающегося облака, и облако дробится на множество отдельных коллапсирующих ядрышек-протозвезд. Но как там умудрились обособиться объекты с удвоенной массой Сатурна? Даже в протопланетном диске гипотеза гравитационной неустойчивости предсказывает образование только массивных планет с массой не меньше 2-4 масс Юпитера.
Как всегда, природа оказывается сложнее расчетов.

[Бобр-99]

Сила в 40 тыс раз более могучая, чем гравитация.

Ой ли?

[Скеп-тик]

Сам с карандашом не проверял. Так сказали.
Но бумажки, прилипающие к расчёске, явно гравитацию преодолевают 

Как всегда, природа оказывается сложнее расчетов.

Конечно. Магнитные поля (очень существенный вклад в фрагментацию пыли и газа), электростатика (на Луне - пылевая "атмосфера"), давление света, изменение фазового состояния газов, создающих реактивную тягу, тот же эффект Ярковского - в ОТО не учитываются.

[Vavanzer]

То, о чем вы говорите, называется аккрецией Бонди. Ее темп определяется радиусом гравитационного захвата или радиусом Бонди R:

. Да, оно самое. Там вообще получается комбинированный эффект, гравитация от кускаль да, условно говоря, + гравитация облака.

Но ведь кометы и прочая мелочь образуются не коллапсом. А для аккреции в молекулярных облаках слишком низкая плотность в-ва.

Я так понял, что они на окраинах систем образуются методом конденсации. Оттуда же и кольца у планет берутся, и "молодая" поверхность объектов пояса Койпера, у которых гравитационный захват весьма обширный, относительно тех же комет.... Но пока один вопрос непонятен - какова концентрация межпланетного вещества в тех краях.
Может ближе к гелиопаузе вещество солнечного ветра останавливается и вызывает повышенную концентрацию. Но явно что то там происходит...

Второй. Предположить наличие в молекулярном облаке наличие  "центров кристаллизации" в виде пост-примордиальных чёрных дыр порядка 10-10 - 10-8 M☉

Черная дыра будет излучать, ионизировать и прогревать, за счет падающего материала... Мож конечно на дальних рубежах что то и сконцентрирует. Но вероятно, эффект будет тот же самый, что и в случае со "взрослой" звездой. Еще, помнится, поднимал вопрос что будет, если холодный белый карлик залетит в область повышенной плотности, станет ли он причиной коллапса и возникновения сверхмассивной звезды. Но там чет по электромагнитной составляющей не срасталось, как мне обьяснили... Магнитное поле не даст. Но, опять же, оно не 100% отталкивающее, а лишь отклоняющее. Северные сияния никто еще не отменял)))

[Mercury127]

если холодный белый карлик залетит в область повышенной плотности, станет ли он причиной коллапса и возникновения сверхмассивной звезды. Но там чет по электромагнитной составляющей не срасталось, как мне обьяснили...

не знаю, чего тебе там объясняли, но даже при успешной аккреции, по достижению предела Чандрасекара звезда получится сверхновая типа Ia, а не сверхмассивная.

(и думаю, бесполезно что-то объяснять, когда у человека столько сумбура в голове, помноженного на нежелание оный сумбур самостоятельно привести в порядок... чем-то напоминает Ыя.)

[Vavanzer]

Сам с карандашом не проверял. Так сказали.
Но бумажки, прилипающие к расчёске, явно гравитацию преодолевают 

Как всегда, природа оказывается сложнее расчетов.

Конечно. Магнитные поля (очень существенный вклад в фрагментацию пыли и газа), электростатика (на Луне - пылевая "атмосфера"), давление света, изменение фазового состояния газов, создающих реактивную тягу, тот же эффект Ярковского - в ОТО не учитываются.

Вот это все и усложняет !
А так все просто, если исключить все эти непонятки.
Берем плотность облака, температуру, и по ним считаем радиус, когда гравитационные силы обеспечат вторую космическую больше , чем среднеквадратичная скорость молекул в этом облаке... Отсюда и получим примерные параметры начала коллапса, для разных температур и плотностей.

И, самое интересное, по ходу дела, возможно дающее ответ на вопрос... Какова протяженность облака!?

Даже в протопланетном диске гипотеза гравитационной неустойчивости предсказывает образование только массивных планет с массой не меньше 2-4 масс Юпитера

Гравитационная неустойчивость, без внешних воздействий, сгустков и твердых образований... А если какие то волны в облаке, области повышенной плотности, небольшие... Это не считая того что там какие то крупные "куски льда" могут быть...
Интересно, там пылинки и ледяные микрокристалики склонны к взаимному отталкиванию, или наоборот, слипанию!?))

[Olweg]

Я так понял, что они на окраинах систем образуются методом конденсации.

Что это за метод?

[Vavanzer]

не знаю, чего тебе там объясняли, но даже при успешной аккреции, по достижению предела Чандрасекара звезда получится сверхновая типа Ia, а не сверхмассивная.

Мы до этой стадии не дошли, до сформированной звезды, и какой именно она будет. Тк типа магнитное поле и излучение не даст белому карлику пожирать молекулярное облако. Максимум - вызвать в нем движение и неоднородности на дальних подступах, т.е не более чем катализатор-провокатор...... И я больше не развивал мысль в том направлении.
А вот более мелкие объекты, и холодные, от астероида и до планет-гигантов, оч даже интересны, в качестве инициации усиленного коллапса. Они не разгонят облако, не прогреет его, не ионизируют..   Такой усиленный коллапс нужен был для объяснения, откуда берутся массивные и сверхмасствные звезды.

[Vavanzer]

Я так понял, что они на окраинах систем образуются методом конденсации.

Что это за метод?

Ну мне видится, что где то в области дальше Юпитера, и еще далее начинается область, где не только вода, но и газы заморожены. Чем дальше, тем холоднее. И где то там они вполне могут конденсироваться, при температурах ниже 70, 50К и менее. И если есть точка притяжения - комета, астероид, плутино, и даже большая планета, это будет происходить. Что видимо и наблюдается на спутниках гигантов и объектах пояса Койпера. Там температуры низкие, и соответственно, скорости улетучивания газов тоже.. И, из-за низкой концентрации, эффекта разогрева от сжатия нет. Получается, что точки притяжения беспрепятственно "пылесосят" пространство, и потихоньку растут и постоянно обновляются.
Это сценарий  без учета всяких там ионизаций, намагничиваний и тп. Я эти факторы пока так себе понимаю в действии, не обмозговывал досконально.

[Vavanzer]

Мне лениво объяснять почему НЕТАК.

Так подкиньте какое нибудь чтиво полезное, на досуге поизучать))) Зачем объяснять самому, если другие уже много раз сделали это.
Хотя, коротко и ясно если бы просветили суть процессов в совокупности, было бы здорово. И не только для одного человека это было бы, читателей ведь много здесь.!