проф., д.ф.-м.н. Б.П. Рыбакин

В рамках данной темы проводятся исследования образования новых звезд и звездных систем. В нашей и других галактиках звездообразование происходит в основном при соударении молекулярных облаков с ударными волнами, которые возникают в результате взрывов сверхновых звезд или при столкновении молекулярных облаков между собой. Эти процессы сопровождаются колебательными неустойчивыми возмущениями в распределении плотности вещества в материи облаков после соударения. В этих скоплениях, содержащих сильно сжатое вещество, плотность газа может достигать протозвездных значений, которые находятся на начальном уровне дозвездных образований, зон, где с большой вероятностью могут образовываться новые звезды. Такие скопления называются гравитационно связанными объектами. Это означает, что гравитации этих объектов достаточно для образования новых звезд.

На Рис.1 представлена эмиссионная туманность RCW120 – область в Млечном Пути, которая содержит горячий газ HII и светящуюся пыль, в хвосте созвездия Скорпиона. Справа туманность M20 - хорошо известная галактическая область HII, ионизированная одной звездой. O. Охама и др. (2010) сообщили, что О-звезда образовалась в результате столкновения двух молекулярных облаков (МО). Наблюдения идентифицировали два молекулярных облака в направлении M20, движущихся с относительной скоростью 7,5 км/с. На этих снимках видны результаты соударения молекулярных облаков и уже образованные новые звездные скопления.

Для исследования этих газодинамических процессов мы выбрали гидродинамическую модель для компьютерного моделирования взаимных столкновений облаков, с акцентом на учет только кинетической энергии столкновений молекулярных облаков, чтобы проанализировать только этот эффект, отделив его от эффектов гравитационного сжатия. В численных экспериментах реализованы два возможных сценария столкновения двух молекулярных облаков между собой - взаимное проникновение при лобовом столкновении и скользящее столкновение. Расчеты проводятся с использованием численного подхода, на основе построенного авторского кода. Решаемые задачи рассматривают столкновение и взаимное проникновение сверхзвуковых потоков сжимаемого газа в нестационарном постановке, с использованием уравнений Эйлера для законов сохранения массы, импульса и энергии в прямоугольной системе координат. Уравнения решаются на сетках высокой детализации с размерами узлов 2048х1024х1024 с адаптивным решателем Роу по схемам типа TVD. Численная реализация была выполнена с использованием собственного параллельного программного кода, разработанного для многопроцессорной системы.

Используется программная библиотека OpenMP и параллельное программирование на графических ускорителях CUDA. Настройка расчетов с помощью Intel VTune Amplifier XE проводится для процессоров Xeon E2630 и Xeon E5 2650 Ivy Bridge. Авторский код HDVIS используется для визуализации и анализа. Схема столкновения МО и примеры численного моделирования КТС, реализованные в исследовании, показаны на Рис.2.

Численный эксперимент проводился по разным сценариям столкновения двух облаков - MC₁ и MC₂. В них противоположно направленные облака разной массы, размера и плотности сталкиваются друг с другом с разной встречной скоростью 2,943, 5,885, 11,770 км / с, которые варьируются в вариантах расчета. В случае скользящего удара центры МО смещались с разным смещением. Начальный контраст плотности χ= ρ_сl/ρ_ism (отношение плотностей центров МО и межзвездной среды ISM) варьировался в диапазоне: 25, 100 и 500.

Целью проводимого моделирования является изучение влияния начальных импульсов и скоростей вращения соударяющихся МО в процессе столкновения на распределение образовавшихся сильно сжатых протоядер и образовавшихся сгустков в процессе фрагментации, возмущения плотности в них, абляции и образования филамент.

На Рис. 3 приведены результаты компьютерного моделирования, показаны последовательные стадии лобового соударения молекулярных облаков. В результате численных экспериментов было установлено, что в ходе эволюции процесса морфинга, в процессе соударения наблюдаются три стадии: взаимное проникновение облаков с быстрым ростом сжатия в контактном слое; создание линзовидного сверхзвукового ядра с нестационарной переходной стадией; и возникновение стохастических сгустков-нитей, образующихся в сжатом центре головной ударной волны. При смещенном ударе детали возмущения газового потока повторяются с предсказуемым пространственным искажением остатков облаков, перераспределением и уменьшением интегрального влияния сверхзвукового сжатия на этот процесс.

Результаты расчетов показывают, что контраст плотности в зоне соударения может быть в тысячи раз выше начального среднего значения в сталкивающихся облаках. В результате численных экспериментов выяснилось, что плотность протоядер вещества колеблется в диапазоне 10^-21 - 10^-19 г · см^-3, что соответствует общепринятому уровню для предзвездных скоплений и возникновения звезд Рис.4. После прохождения меньшего облака через большое, с разрывом последнего, плотность сгустков газа, образовавшихся в этой переходной зоне, может достигать самых больших значений по сравнению с плотностью, наблюдаемой при всей эволюции новообразования.

Формирование наружных поверхностей МО ускоряет генерацию вихрей внутри облачного образования, что отражается в появлении валиков и ряби на внешних поверхностях и в пространстве растущей полости внутри канала проникновения Рис.5.

Публикации:

1. Rybakin B.P., Goryachev V.D., Mikhalchenko E.V., Stamov L.I., Pestov D.V., Skryleva E.I. Numerical simulation of different collision scenarios of interstellar molecular clouds. Proceedings of 72nd International Astronautical Congress (IAC), Dubai, United Arab Emirates, 25-29 October 2021, с. IAC-21, A2,1,6, x65588.
2. Rybakin Boris, Goryachev Valery. Influence of the rotation of colliding molecular clouds on the structure of the forming protostellar area. Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing ([Bristol, UK], England), v. 2028, 2021, pp. 1 - 8. DOI
3. Rybakin И., Goryachev V. Shape Morphing in Molecular Cloud-Cloud Collision Affected by Coherent Instabilities. Computers and Fluids, Pergamon Press Ltd. (United Kingdom), 2020, том 205.DOI
4. Rybakin B.P., Goryachev V.D., Stamov L.I., Mikhalchenko E.V., Tyurenkova V.V., Smirnova M.N., Shamina A.A., Kolenkina E.I., Pestov D.A. Modeling the formation of dense clumps during molecular clouds collision. Acta Astronautica, Pergamon Press Ltd. (United Kingdom), v. 170, pp. 586-591.DOI
5. Rybakin B.P., Moiseenko S.G. Formation of filaments and dense cores during molecular clouds collision Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing ([Bristol, UK], England), v. 1336, 2019.DOI
6. B. Rybakin, V. Goryachev. Modeling of density stratification and filamentous structure formation in molecular clouds after shock wave collision. Computers and Fluids, Pergamon Press Ltd. (United Kingdom), v. 173, 2018.DOI
7. B. Rybakin, V. Goryachev. Parallel algorithms for Astrophysics Problems, Lobachevskii Journal of Mathematics, 39, No.4, pp. 562-570 (2018).DOI