Hvordan Herschel låste op for stjernedannelsens hemmeligheder

Undersøgte himlen i næsten fire år for at observere skæret af koldt kosmisk støv indlejret i interstellare gasskyer, Herschel Space Observatory har givet astronomer et hidtil uset indblik i vores galakse stjernernes vugger. Som resultat, der er taget kæmpe fremskridt i vores forståelse af de fysiske processer, der fører til fødslen af ​​stjerner og deres planetsystemer.

"Vi er lavet af stjerneting, " sagde astronomen Carl Sagan berømt, som de atomer, der gør os – vores kroppe, vores hjem, vores planet – kommer i høj grad fra tidligere generationer af stjerner.

Ja, stjerner og planeter fødes konstant i de tætteste og koldeste lommer af molekylære skyer, hvor de tager form af en blanding, der stort set består af gas, men også indeholder små mængder støv, der er blandet ind.

Som en del af en kosmisk genbrugsproces, stjerner returnerer også deres genforarbejdede materiale efter deres død, beriger dette interstellare medium, der gennemsyrer alle galakser, inklusive vores Mælkevej, med tunge grundstoffer produceret i deres atomovne og under de voldsomme eksplosioner, der afslutter livet for de mest massive stjerner.

Astronomer har længe været klar over, at stjerner tager form, når interstellart materiale samles og kondenserer, bryder derefter op i fragmenter - frøene til fremtidige stjerner - men mange detaljer om denne komplekse proces forblev uklare indtil for ikke så længe siden.

Det, der vendte bordet i forståelsen af, hvordan stjerner fødes, var ESA's Herschel Space Observatory, en banebrydende mission, der blev lanceret i 2009 og kørte indtil 2013.

Et unikt observatorium

At give mening om det univers, vi lever i, er en fascinerende bestræbelse, der er skabt gennem tusinder af år af utallige dedikerede tidlige tænkeres uophørlige arbejde, filosoffer, og for nylig, af videnskabsmænd. Denne kontinuerlige proces er præget af store opdagelser, ofte muliggjort af begyndelsen af ​​ny instrumentering, der åbner endnu et vindue til verden, forstærker eller udvider vores sanser.

Gør det muligt for astronomer at observere længere og mere detaljeret i de sidste fire århundreder, teleskopet har været nøglen til at etablere vores fysiske forståelse af kosmos. Tilsvarende fremskridt inden for astronomiske detektorer – fra det menneskelige øje til fotografiske plader, for et par hundrede år siden, og til en bred vifte af elektroniske enheder gennem det sidste århundrede – har været lige så revolutionerende for udviklingen af ​​disse undersøgelser.

Opdagelsen af ​​lys ved andre bølgelængder end det synlige bånd, i det nittende århundrede, og dets anvendelse på astronomi i det tyvende, har fremmet denne proces, afsløre helt nye klasser af kosmiske kilder og fænomener, såvel som uventede aspekter af kendte.

Jo køligere en genstand er, jo længere lysets bølgelængde udsender, så at observere himlen i de langt infrarøde og sub-millimeter domæner giver adgang til nogle af de koldeste kilder i universet, inklusive kølig gas og støv med temperaturer på 50 K og endnu mindre.

Med et teleskop med et 3,5 meter primært spejl – det største nogensinde, der er observeret ved langt infrarøde bølgelængder – og detektorer, der er afkølet til lige over det absolutte nulpunkt, Herschel kunne udføre observationer med hidtil uset følsomhed og rumlig opløsning ved de bølgelængder, der er afgørende for at dykke ned i virvaren af ​​stjernedannende skyer.

Dette gjorde Herschel meget mere i stand til at kortlægge den direkte emission fra koldt støv end sine forgængere, som omfatter den amerikansk-hollandsk-britiske infrarøde astronomiske satellit (IRAS), ESA's infrarøde rumobservatorium (ISO), NASA's Spitzer-rumteleskop, og JAXAs Akari-satellit.

Støv er en mindre, men afgørende komponent i det interstellare medium, der skjuler observationer ved optiske og nær-infrarøde bølgelængder. Som sådan, det havde længe stået i vejen for, at astronomer nåede til bunds i stjernedannelse, i vores Mælkevej såvel som i andre, fjernere galakser.

Herschel vendte situationen fuldstændig om. I stedet for at være et problem, støvet blev et afgørende aktiv for astronomer:skinnende klart på de lange bølgelængder, som observatoriet undersøgte, støv kunne bruges som spor af interstellar gas på tværs af galaksen og, mest vigtigt, af dens tætteste områder - molekylskyerne - hvor stjernedannelsen udfolder sig.

Ud over, Herschel gav den unikke mulighed for at observere, med hidtil uset spektral dækning og opløsning, et stort antal linjer i spektrene af gasskyer produceret af atomer og molekyler, der er til stede, dog i små mængder, i gassen. Sammen med observation af støv, disse atomare og molekylære linjer var medvirkende til at spore gass egenskaber i et stort antal stjernedannende skyer.

Flere af Herschels nøgleprogrammer var dedikeret til at studere fødslen af ​​stjerner i molekylære skyer, nær og fjern, i vores galakse.

Fremtrædende blandt dem, Herschel Gould Belt Survey koncentrerede sig om områder tæt på hjemmet, indsamling af usædvanligt detaljerede observationer af de nærmeste stjernedannende områder, som er placeret i skyer, der tilsammen danner en kæmpe ring ud til 1500 lysår fra Solen. Et andet projekt, Herschel billeddannelsesundersøgelse af OB Young Stellar-objekter, så specifikt på, hvor massive stjerner bliver født. Og endelig, Herschel infrarøde Galactic Plane Survey udførte en komplet optælling af stjernernes planteskoler på tværs af Mælkevejen ved at indsamle et 360-graders billede af det galaktiske plan.

Disse tre observationsprogrammer alene brugte over 1500 timers observationer på at undersøge stjernedannelse.

Filamenter i massevis

Den mest slående opdagelse, der kom frem fra disse omfattende undersøgelser, var et stort og indviklet netværk af filamentære strukturer, der vævede sig vej gennem galaksen.

At finde filamenter i sig selv var ikke en nyhed - lignende strukturer var allerede blevet opdaget i de foregående årtier - men deres allestedsnærværende tilstedeværelse var bestemt bemærkelsesværdig.

Herschel var det første observatorium, der afslørede filamenter næsten overalt i det interstellare medium, fra små, kun et par lysår lang, til gigantiske tråde, der strækker sig over hundreder af lysår.

Sådanne strukturer blev opdaget i alle typer skyer, også hos dem uden igangværende stjernedannelse. Astronomer undrede sig:hvorfor producerer nogle filamenter stjerner, mens andre ikke gør?

Mængden af ​​nye data afslørede ikke kun, at filamenter er allestedsnærværende, men også at de synes at have meget ens egenskaber, i hvert fald i vores lokalområde. Uanset deres længde, alle filamenter observeret i nærliggende skyer har en universel bredde - omkring en tredjedel af et lysår.

Oprindelsen af ​​disse interstellare filamenter og deres universelle bredde er sandsynligvis forbundet med gassens turbulente dynamik i interstellare skyer. Faktisk, bredden svarer til den typiske skala, hvor gas gennemgår overgangen fra supersonisk til subsonisk tilstand, tyder på, at filamenter opstår som følge af supersonisk turbulens i skyerne.

Lavmassestjernedannelse

Efter 2010, da de første undersøgelser af Herschel-observationer blev offentliggjort, det blev klart, at interstellare filamenter er afgørende elementer i stjernedannelsesprocessen.

Beviser fra Herschel-observationer fortsatte med at hobe sig op i løbet af de følgende år.

Filamenter ser ud til at gå forud for dannelsen af ​​stjerner i vores galakse og, i nogle tilfælde, de letter det. Men kun filamenter, der overstiger en minimumsdensitetstærskel, ser ud til at være aktive i produktionen af ​​stjerner.

Under hensyntagen til de akkumulerede beviser, astronomer udviklede en ny model til at forklare, hvordan stjerner med lav masse, som vores sol, fødes. I dette to-trins scenarie, først opstår et væv af filamenter fra turbulent, supersoniske bevægelser af gas i det interstellare materiale. Senere, men kun i de tætteste filamenter, tyngdekraften tager over:filamenter bliver derefter ustabile og fragmenteres til klumper, som på tur, begynde at trække sig sammen og til sidst skabe præ-stjernekerner - frøene til fremtidige stjerner.

Selvom det er allestedsnærværende, filamenter repræsenterer en lille brøkdel af den samlede masse, der udgør galaksens interstellare medium, og kun de tætteste af dem deltager i den meget ineffektive proces med stjernedannelse.

Mens tætte trådstrukturer uden tvivl er de foretrukne steder for stjernernes fødsel, Herschel observerede også nogle stjerner, der ser ud til at blive dannet i områder, hvor filamenter ikke er blevet identificeret.

Højmassestjernedannelse

Massive stjerner, over flere gange Solens masse, er sjældne, men ekstremt lyse og kraftige genstande, der har en betydelig indvirkning på deres miljø. Deres dannelse har været en gåde, der har undgået forklaring i mange årtier på grund af vanskeligheden ved at forene det enorme strålingstryk, der opstår, når de tager form, med det faktum, at dette er tilstrækkeligt til at sprede materialet og stoppe akkretionsprocessen helt.

På grund af de større masser og energioutput involveret, disse stjerner skal komme til live under forhold, der er helt anderledes end dem, der findes i deres modstykker med lavere masses fødesteder. Som afsløret af Herschels observationer, massive stjerner ser ud til at dannes i nærheden af ​​gigantiske strukturer såsom højdedrag (massive, højdensitetsfilamenter) og nav (sfæriske klumper af stof), der kan opstå ved skæringspunktet mellem almindelige filamenter.

Med deres enorme reservoirer af gas og støv, kamme og nav kan give den vedvarende strøm af materiale, der er nødvendig for at understøtte væksten af ​​enorme stjerneembryoner. I disse ekstreme miljøer, også kaldet 'mini-stjerneudbrud', stjernedannelse kan nå meget intense niveauer, til sidst giver anledning til stjernehobe, der primært er vært for massive stjerner.

Mens man fremhæver de forskellige fænomener, der fører til dannelsen af ​​høj- og lavmassestjerner, Herschel har også bragt dem sammen inden for en fælles ramme. Som en del af en kontinuerlig proces, der finder sted på alle skalaer, det interstellare materiale røres op, komprimeret og indespærret i en række filamentære strukturer, hvis senere sammenbrud under tyngdekraften og efterfølgende fragmentering giver anledning til en mangfoldighed af forskellige stjerner.

Fra nye svar til nye spørgsmål

Inden for mindre end et årti, astronomer, der bruger Herschels ekstraordinære data, har vist, hvordan det tilsyneladende komplekse fænomen stjernedannelse kan forstås ud fra simple og universelle processer. Observationer af nærliggende galakser indikerer, at lignende processer kan være på spil også uden for vores Mælkevejs grænser.

Under sine undersøgelser af stjernedannende regioner, Herschel har også observeret mange protoplanetariske skiver omkring meget unge stjerner, giver et indblik i det råmateriale, der i sidste ende vil opbygge disse stjerners planetsystemer.

Imidlertid, da nye observationer giver svar på gamle spørgsmål, mange nye spørgsmål opstår, some of which remain unanswered. Astronomers are still investigating a number of crucial aspects of star formation, such as the origin of filaments in molecular clouds, the dynamics of matter accretion, and the role of magnetic fields in the process.

To address some of these questions, in particular the formation of filaments, Herschel observations of various molecular clouds have been compared with measurements of the magnetic field in these clouds, obtained using ESA's Planck satellite and ground-based observatories, as well as with predictions of numerical simulations. The comparisons show that the magnetic fields tend to be perpendicular to the densest, star-forming filaments and parallel to lower-density filaments, known as striations, that flow into the denser ones, contributing to their growth.

Future studies and even more detailed observations will be needed to confirm and elucidate how magnetic fields do, as suggested, play a strong role in the process of star formation, contributing to deepening our understanding of this fascinating phenomenon.