Nyt kort over Mælkevejen afslører en kæmpe bølge af stjernernes planteskoler

Astronomer ved Harvard University har opdaget en monolitisk, bølgeformet gasstruktur – den største nogensinde set i vores galakse – består af indbyrdes forbundne stjerneskoler. Kaldt "Radcliffe-bølgen" til ære for samarbejdets hjemmebase, Radcliffe Institute for Advanced Study, opdagelsen forvandler en 150 år gammel vision af nærliggende stjernegartnerier som en ekspanderende ring til en med en bølgende, stjernedannende filament, der når billioner af miles over og under den galaktiske skive.

Arbejdet, udgivet i Natur den 7. januar, blev muliggjort af en ny analyse af data fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-rumfartøj, lanceret i 2013 med missionen om præcist at måle positionen, afstand, og stjernernes bevægelse. Forskerholdet kombinerede de supernøjagtige data fra Gaia med andre målinger for at konstruere en detaljeret, 3-D kort over interstellart stof i Mælkevejen, og bemærkede et uventet mønster i spiralarmen nærmest Jorden.

Forskerne opdagede en lang, tynd struktur, omkring 9, 000 lysår lang og 400 lysår bred, med en bølgelignende form, 500 lysår over og under midterplanet af vores galakse disk. Bølgen omfatter mange af de stjernegartnerier, som man tidligere troede var en del af "Gould's Belt", et bånd af stjernedannende områder, der menes at være orienteret omkring Solen i en ring.

"Ingen astronom forventede, at vi bor ved siden af ​​en kæmpe, bølgelignende samling af gas - eller at den danner Mælkevejens lokale arm, " sagde Alyssa Goodman, Robert Wheeler Willson professor i anvendt astronomi ved Harvard University, forskningsassistent ved Smithsonian Institution, og meddirektør for Science Program ved Radcliffe Institute of Advanced Study. "Vi var fuldstændig chokerede, da vi først indså, hvor lang og lige Radcliffe-bølgen er, ser ned på den fra oven i 3D – men hvor sinusformet er den set fra Jorden. Selve bølgens eksistens tvinger os til at genoverveje vores forståelse af Mælkevejens 3D-struktur."

"Gould og Herschel observerede begge lyse stjerner dannes i en bue projiceret på himlen, så i lang tid, folk har forsøgt at finde ud af, om disse molekylære skyer faktisk danner en ring i 3-D, sagde João Alves, professor i stjernernes astrofysik ved universitetet i Wien og Radcliffe Fellow (2018-2019). "I stedet, det, vi har observeret, er den største sammenhængende gasstruktur, vi kender til i galaksen, organiseret ikke i en ring, men i en massiv, bølgende filament. Solen ligger kun 500 lysår fra Bølgen på dets nærmeste punkt. Det har været lige for øjnene af os hele tiden, men vi kunne ikke se det før nu."

Den nye, 3-D kort viser vores galaktiske kvarter i et nyt lys, give forskerne et revideret syn på Mælkevejen og åbne døren til andre store opdagelser.

"Vi ved ikke, hvad der forårsager denne form, men det kunne være som en krusning i en dam, som om noget ekstraordinært massivt landede i vores galakse, " sagde Alves. "Det, vi ved, er, at vores sol interagerer med denne struktur. Den passerede en festival af supernovaer, da den krydsede Orion for 13 millioner år siden, og om yderligere 13 millioner år vil den krydse strukturen igen, ligesom vi 'surferer på bølgen'."

En insiders syn på galaksen

At skille strukturer ud i det "støvede" galaktiske kvarter, som vi sidder i, er en langvarig udfordring inden for astronomi. I tidligere undersøgelser, forskergruppen af ​​Douglas Finkbeiner, professor i astronomi og fysik ved Harvard, banebrydende avancerede statistiske teknikker til at kortlægge 3D-fordelingen af ​​støv ved hjælp af omfattende undersøgelser af stjerners farver. Bevæbnet med nye data fra Gaia, Harvard-studerende Catherine Zucker og Joshua Speagle udvidede for nylig disse teknikker, dramatisk forbedring af astronomernes evne til at måle afstande til stjernedannende områder. Det arbejde, ledet af Zucker, er offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

"Vi havde en mistanke om, at der kunne være større strukturer, som vi bare ikke kunne sætte i sammenhæng. Så, at skabe et nøjagtigt kort over vores solenergikvarter, vi kombinerede observationer fra rumteleskoper som Gaia med astrostatistik, datavisualisering, og numeriske simuleringer." forklarede Zucker, der er NSF Graduate Fellow og Ph.D. kandidat ved Harvard's Graduate School of Arts and Sciences med base i Harvards afdeling for Astronomi.

Zucker spillede en nøglerolle i udarbejdelsen af ​​det hidtil største katalog over nøjagtige afstande til lokale stjerneplanteskoler - grundlaget for det 3-D-kort, der blev brugt i undersøgelsen. Hun har sat sig som mål at male et nyt billede af Mælkevejsgalaksen, nær og fjern. "Vi samlede dette team, så vi kunne gå ud over at behandle og tabulere dataene til aktivt at visualisere dem – ikke kun for os selv, men for alle. Nu, vi kan bogstaveligt talt se Mælkevejen med nye øjne, " hun sagde.

"At studere stjernefødsler er kompliceret af uperfekte data. Vi risikerer at få detaljerne forkert, fordi hvis du er forvirret over afstand, du er forvirret over størrelsen." sagde Finkbeiner.

Goodman var enig, "Alle stjernerne i universet, inklusive vores sol, er dannet i dynamisk, kollapser, skyer af gas og støv. Men ved at bestemme, hvor meget masse skyerne har, hvor store de er - har været svært, fordi disse egenskaber afhænger af, hvor langt skyen er væk."

Et univers af data

Ifølge Goodman, videnskabsmænd har studeret tætte skyer af gas og støv mellem stjernerne i over hundrede år, zoome ind på disse områder med stadig højere opløsning. Før Gaia, der var ingen signifikante datasæt omfattende nok til at afsløre galaksens struktur i store skalaer. Siden lanceringen i 2013, rumobservatoriet har muliggjort målinger af afstandene til en milliard stjerner i Mælkevejsgalaksen.

Datastrømmen fra Gaia fungerede som det perfekte testbed for innovative, nye statistiske metoder, der afslører formen på lokale stjerneplanteskoler og deres forbindelse til Mælkevejens galaktiske struktur. I dette datavidenskabsorienterede samarbejde, Finkbeineren, Alves, og Goodman-grupperne samarbejdede tæt. Finkbeiner-gruppen udviklede den statistiske ramme, der var nødvendig for at udlede 3D-fordelingen af ​​støvskyerne; Alves-gruppen bidrog med dyb ekspertise om stjerner, stjernedannelse, og Gaia; og Goodman-gruppen udviklede 3D-visualiseringer og analytiske rammer, kaldet "lim", som gjorde det muligt at se Radcliffe-bølgen, udforsket, og kvantitativt beskrevet.