Molekülwolken und Gravitationskollaps

Sterne entstehen in riesigen, kalten Wolken aus molekularem Gas, wo die dichtesten Bereiche, wenn ihre Gravitation die sie stützenden Kräfte überwindet, kollabieren, um neue Sterne zu bilden.

Definition

Molekülwolken sind kalte, dichte Regionen des interstellaren Mediums, die hauptsächlich aus molekularem Wasserstoff bestehen, und Gravitationskollaps ist die unkontrollierte Kontraktion einer Region innerhalb dieser Wolken, sobald die Eigengravitation den entgegenwirkenden Druck und die Unterstützung übersteigt.

Scope

Das Thema umfasst die physikalischen Eigenschaften von Riesenmolekülwolken und ihren dichten Kernen, das Jeans-Kriterium für Gravitationsinstabilität, die unterstützenden Rollen von thermischem Druck, Überschallturbulenz und Magnetfeldern sowie den Beginn und die frühen Stadien des Kollapses, die der Protosternbildung vorausgehen.

Core questions

• Welche Eigenschaften haben Molekülwolken?
• Unter welchen Bedingungen wird eine Wolke gravitationsinstabil?
• Was stützt Wolken gegen den Kollaps?
• Wie beginnt der Kollaps innerhalb eines dichten Kerns?

Key concepts

• Riesenmolekülwolke
• Jeans-Masse
• dichter Kern
• Überschallturbulenz
• magnetische Unterstützung
• freie Fallzeit
• interstellarer Staub

Key theories

Jeans-Instabilität

Eine selbstgravitierende Gaswolke kollabiert, wenn ihre Masse die Jeans-Masse überschreitet, den Schwellenwert, bei dem die Gravitation den thermischen Druck überwindet; dieses Kriterium legt die Skala fest, bei der kalte, dichte Regionen von Molekülwolken instabil werden und beginnen, sich zusammenzuziehen.

Turbulente und magnetische Unterstützung

Molekülwolken werden nicht nur durch thermischen Druck, sondern auch durch Überschallturbulenz und Magnetfelder gestützt; diese Unterstützung verhindert, dass der größte Teil des Wolkenmaterials kollabiert, und bedeutet, dass nur spezielle, dichte Kerne die Bedingungen für die Sternentstehung erreichen.

Mechanisms

Kühlung durch Moleküle und Staub hält Molekülwolken kalt, wodurch die Jeans-Masse gesenkt wird, sodass die Gravitation wirken kann; innerhalb einer Wolke erzeugt Turbulenz vorübergehende dichte Regionen, und wo die Masse eines Kerns die lokale Jeans-Masse übersteigt und die magnetische Unterstützung überwunden wird, beginnt der Kern, sich annähernd in seiner freien Fallzeit zu einem Protostern zusammenzuziehen.

Clinical relevance

Die Eigenschaften und die Stabilität von Molekülwolken bestimmen, wo, wann und wie effizient Sterne entstehen, steuern die Sternentstehungsrate von Galaxien und die Versorgung mit dem dichten Gas, das in Tracern wie Kohlenmonoxid und Staubkontinuum beobachtet wird.

History

Jeans leitete 1902 das nach ihm benannte Instabilitätskriterium ab; spätere Arbeiten etablierten die molekulare Natur und die turbulente, magnetisierte Struktur sternbildender Wolken, wobei das Gleichgewicht zwischen Gravitation, Turbulenz und Magnetfeldern in der modernen Theorie, die von McKee und Ostriker rezensiert wurde, synthetisiert wurde.

Key figures

• James Jeans
• Christopher McKee
• Eve Ostriker
• Leon Mestel

Seminal works

• jeans1902
• mckee2007

Frequently asked questions

Warum sind sternbildende Wolken so kalt?

Molekularer Wasserstoff und Spurenmoleküle strahlen zusammen mit Staubpartikeln Wärme effizient ab und schirmen das Innere vor Sternenlicht ab, wodurch diese Wolken nur etwa zehn bis zwanzig Grad über dem absoluten Nullpunkt gehalten werden, was den Druck senkt und es der Gravitation ermöglicht, zu dominieren.

Was ist die Jeans-Masse?

Es ist die kritische Masse, oberhalb derer eine Gasregion bei einer gegebenen Temperatur und Dichte sich nicht mehr selbst gegen die Gravitation halten kann und zu kollabieren beginnt; kälteres, dichteres Gas hat eine kleinere Jeans-Masse und kollabiert daher leichter.