Gennemborer massive stjerners mørke fødesteder med Webb

Højmassestjerner, som er otte eller flere gange vores sols masse, leve hårdt og dø ung. De ender ofte deres korte liv i voldsomme eksplosioner kaldet supernovaer, men deres fødsler er meget mere et mysterium. De dannes i meget tætte, kolde skyer af gas og støv, men man ved kun lidt om disse egne. I 2021, kort efter opsendelsen af ​​NASAs James Webb-rumteleskop, videnskabsmænd planlægger at studere tre af disse skyer for at forstå deres struktur.

"Det, vi forsøger at gøre, er at se på fødesteder for massive stjerner, " forklarede Erick Young, hovedefterforsker af et program, der vil bruge Webb til at studere dette fænomen. Han er astronom hos Universities Space Research Association i Columbia, Maryland. "At bestemme den faktiske struktur af skyerne er meget vigtigt i forsøget på at forstå stjernedannelsesprocessen, " han sagde.

Disse kolde skyer - som kan have op til 100, 000 gange Solens masse - er så tætte, at de fremstår som store, mørke klatter på himlen. Mens de virker blottet for stjerner, skyerne skjuler faktisk bare lyset fra baggrundsstjerner. Disse mørke pletter er så tykke af støv, at de endda blokerer nogle bølgelængder af infrarødt lys, en type lys, der er usynlig for menneskelige øjne og normalt kan trænge gennem støvede skyer. Det er derfor, de kaldes "infrarød-mørke skyer." Imidlertid, Webbs hidtil usete følsomhed muliggør observationer af baggrundsstjerner selv gennem disse meget tætte områder.

Fødselsmiljøer og småkagedej

For at forstå, hvordan massive stjerner dannes, du er nødt til at forstå det miljø, de dannes i. Men en af ​​de ting, der gør det så svært at studere massiv stjernedannelse, er, at så snart en stjerne tænder, den udstråler intenst ultraviolet lys og stærke og kraftige vinde.

"Disse kræfter ødelægger det fødselsmiljø, som stjernen blev skabt i, " forklarede infrarød-mørk-sky-ekspert Cara Battersby, en assisterende professor i fysik ved University of Connecticut. "Det miljø, du ser på, efter det er dannet, er helt anderledes end det miljø, der var befordrende for dets dannelse i første omgang. Og da vi ved, at infrarød-mørke skyer er steder, hvor massive stjerner kan dannes, hvis vi ser på deres struktur før stjerner er dannet eller lige er begyndt at dannes, vi kan studere, hvilket miljø der er nødvendigt for at danne disse massive stjerner."

Battersby sammenligner processen med at bage småkager:Så snart du bager dem, de er helt anderledes end selve dejen. Hvis du aldrig har set dej før, du har måske ikke en god idé om, hvordan den bageproces ville se ud. De infrarød-mørke skyer er som den rå dej, før du bager den. At studere disse skyer svarer til at få en chance for at se på småkagedejen, ser hvad der går ind i det, og lære, hvad dens konsistens er.

Vigtigheden af ​​massive stjerner

Det er vigtigt at forstå massive stjerner og deres miljøer af forskellige årsager. Først, i deres eksplosive dødsfald, de frigiver mange elementer, der er essentielle for livet. Grundstoffer, der er tungere end brint og helium - inklusive byggestenene til livet på Jorden - kommer inde fra massive stjerner. Massive stjerner har forvandlet et univers, der næsten fuldstændigt var sammensat af brint, til de rige, komplekst miljø, der er i stand til at producere planeter og mennesker.

Massive stjerner producerer også enorme mængder energi. Så snart de er født, de afgiver lys, stråling og vinde, der kan skabe bobler i det interstellare medium, muligvis udløst stjernedannelse forskellige steder. Disse ekspanderende bobler kan også bryde et område op, hvor nye stjerner dannes. Endelig, når en massiv stjerne dør i en spektakulær eksplosion, det ændrer for altid sine omgivelser.

Målene

Undersøgelsen vil fokusere Webb på følgende tre områder.

The Brick:En af de mørkeste infrarød-mørke skyer i vores galakse, denne nogenlunde murstensformede sky ligger nær galaksens centrum, omkring 26, 000 lysår fra Jorden. Mere end 100, 000 gange Solens masse, murstenen ser ikke ud til at danne nogen massive stjerner – endnu. Men den har så meget masse på så lille et område, at hvis den danner stjerner, som videnskabsmænd mener, at det burde, det ville være en af ​​de mest massive stjernehobe i vores galakse, meget ligesom Arches og Quintuplet-klyngerne, også i nærheden af ​​galaksens centrum.

The Snake:Med et navn inspireret af dens slangeform, denne ekstremt filamentære sky er omkring 12, 000 lysår væk med en samlet masse på 100, 000 sole. Spredt langs slangen er varmt, tætte støvskyer, hver indeholder omkring 1, 000 gange Solens masse i gas og støv. Disse skyer bliver opvarmet af unge, massive stjerner dannes inde i dem. Slangen kan være en del af en meget længere filament, der er en "Mælkevejens knogle, "sporer galaksens spiralstruktur.

IRDC 18223:Placeret omkring 11, 000 lysår væk, denne sky er også en del af en "Bone of the Milky Way." Det viser aktiv, massiv stjernedannelse sker i den ene side af det, mens den anden side virker helt stille og uforstyrret. En boble på den aktive side begynder allerede at ødelægge den oprindelige filament, der var der før. Mens den stille side ikke er begyndt at danne stjerner endnu, det vil nok snart.

Teknikken

For at studere disse skyer, Young og hans team vil bruge baggrundsstjerner som sonder. "Jo flere stjerner du har, jo flere forskellige synslinjer, sagde Young. Hver enkelt er som en lille blyantstråle, og ved at måle stjernens farve, du kan vurdere, hvor meget støv der er i den pågældende synslinje."

Forskerne vil lave kort - grundlæggende, meget dybe billeder - i fire forskellige infrarøde bølgelængder. Hver bølgelængde har en forskellig evne til at trænge ind i skyen. "Hvis du ser på en given stjerne og ser, at den faktisk er meget rødere, end du forventer, så kan du formode, at dens lys faktisk er gået gennem noget støv, og støvet har gjort farven rødere end den typiske, uoverskuelig stjerne, " sagde Young.

Ved at observere forskellen i farve baseret på disse fire forskellige målinger i det nær-infrarøde, og sammenligner det med en model med støvdæmpning og rødme, Young og hans team kan måle støvet i den pågældende synslinje. Webb vil tillade dem at gøre det for tusinder og atter tusinder af stjerner, der trænger ind i hver sky, giver dem et væld af datapunkter. Da de fleste stjerner af en given type ligner hinanden i lysstyrke og farve, eventuelle markante forskelle, som Webb kan observere, skyldes for det meste virkningerne af materiale mellem os og stjernerne.

Kun med Webb

Dette arbejde kan kun udføres på grund af Webbs udsøgte følsomhed og fremragende vinkelopløsning. Webbs følsomhed gør det muligt for forskere at se svagere stjerner og en højere tæthed af baggrundsstjerner. Dens vinkelopløsning, evnen til at skelne små detaljer af et objekt, giver astronomer mulighed for at skelne mellem individuelle stjerner.

Denne videnskab udføres som en del af et Webb Guaranteed Time Observations (GTO) program. Dette program er designet til at belønne forskere, der hjalp med at udvikle de vigtigste hardware- og softwarekomponenter eller teknisk og tværfaglig viden til observatoriet. Young var en del af det originale instrumenthold, der byggede Webbs Near Infrared Camera (NIRCam) instrument.

James Webb Space Telescope vil være verdens førende rumvidenskabelige observatorium, når det opsendes i 2021. Webb vil løse mysterier i vores solsystem, se ud over til fjerne verdener omkring andre stjerner, og undersøge de mystiske strukturer og oprindelsen af ​​vores univers og vores plads i det. Webb er et internationalt program ledet af NASA med dets partnere, ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.