Når skyerne falder fra hinanden, en ny stjerne er født

Ved at bruge ALMA-observatoriet i Chile, en gruppe astronomer ledet af MPIA's Henrik Beuther har lavet den mest detaljerede observation til dato af den måde, hvorpå en gigantisk gassky spaltes i tætte kerner, som så fungerer som stjerners fødesteder. Astronomerne fandt ud af, at mekanismerne til fragmentering er ret ligetil, som følge af kombinationen af ​​skyens tryk og tyngdekraft. Mere komplekse funktioner, såsom magnetiske linjer eller turbulens, spiller en mindre rolle end hidtil antaget.

Stjerner fødes, når gigantiske skyer af gas og støv kollapser. Hver gang en af ​​de kollapsende regioner bliver varm og tæt nok til, at atomfusion kan indtræde, en stjerne er født. For massive stjerner, det vil sige de stjerner, der udviser mere end otte gange Solens masse, det er kun en del af billedet, selvom. De største stjerner i universet fødes ikke enkeltvis. De er født fra massive skyer af molekylær gas, som så danner en kaskade af fragmenter, med mange af fragmenterne, der føder en stjerne.

Astronomer har længe undret sig over, om denne fragmenteringsmetode til at danne stjerner kræver andre fysiske mekanismer end for stjerner med lavere masse. Forslagene omfatter turbulent gasbevægelse, som kunne destabilisere en region og føre til hurtigere kollaps, eller magnetiske felter, der kunne stabilisere sig og dermed forsinke sammenbrud.

De forskellige mekanismer bør efterlade spor i områder, hvor der dannes flere stjerner. Sammenbruddet, der fører til dannelsen af ​​højmassestjerner, finder sted på et hierarki af forskellige niveauer. På den største vægt, stjernedannelse involverer gigantiske molekylære skyer, som hovedsageligt består af brintgas og kan nå størrelser mellem et par dusin og mere end hundrede lysår på tværs. Inden i disse skyer er lidt tættere klumper, typisk et par lysår på tværs. Hver klump indeholder en eller flere tætte kerner, mindre end en femtedel af et lysår i diameter. Inden for hver kerne, kollaps fører til dannelsen af ​​enten en enkelt stjerne eller flere stjerner. Sammen, stjernerne produceret i kernerne af en enkelt klump vil danne en stjernehob.

Afslørende skalaer for fragmentering

Skalaerne for denne fragmentering på flere niveauer afhænger af de involverede mekanismer. Den enkleste model kan skrives ned ved hjælp af kun gymnasiefysik:En ideel gas har et tryk, der afhænger af dens temperatur og tæthed. I en forenklet gassky, antages at have konstant tæthed, at trykket skal være stærkt nok overalt til at balancere tyngdekraften (givet af Newtons tyngdelov) – selv i centrum af skyen, hvor det indadgående gravitations-inducerede skub af alt det omgivende stof er stærkest. Skriv denne betingelse ned, og du vil opdage, at enhver sådan sky med konstant tæthed kun kan have en maksimal størrelse. Hvis en sky er større end dette maksimum, som kaldes jeanslængden, skyen vil fragmentere og kollapse.

Er fragmenteringen af ​​unge massive klynger virkelig domineret af disse forholdsvis ligetil processer? Det behøver det ikke at være, og nogle astronomer har konstrueret meget mere komplekse scenarier, som omfatter påvirkningen af ​​turbulent gasbevægelse og magnetiske feltlinjer. Disse yderligere mekanismer ændrer betingelserne for skystabilitet, og typisk øge skalaen af ​​de forskellige typer fragmenter.

Forskellige forudsigelser for skystørrelser tilbyder en måde at teste det simple fysikscenarie mod dets mere komplekse konkurrenter. Det var, hvad Henrik Beuther og hans kolleger satte sig for, da de observerede stjernedannelsesområdet G351.77-0.54 i det sydlige stjernebillede Scorpius (Skorpionen). Tidligere observationer har vist, at i denne region, fragmentering kunne tages på fersk gerning. Men ingen af ​​disse observationer havde været kraftige nok til at vise den mindste skala af interesse for at besvare spørgsmålet om fragmenteringsskalaer:de protostellare kerner, endsige deres understruktur.

ALMA tager det mest detaljerede udseende til dato

Beuther og hans kolleger var i stand til at gøre mere. De brugte ALMA-observatoriet i Atacama-ørkenen i Chile. ALMA kombinerer de samtidige observationer af op til 66 radioteleskoper for at opnå en opløsning på ned til 20 millibuesekunder, som gør det muligt for astronomer at skelne detaljer mere end ti gange mindre end med noget tidligere radioteleskop, og med uovertruffen følsomhed – en kombination, der allerede har ført til en række banebrydende observationer også på andre områder.

Beuther og hans kolleger brugte ALMA til at studere den højmassestjernedannende region G351.77-0.54 ned til underkerneskalaer mindre end 50 astronomiske enheder (med andre ord, mindre end 50 gange den gennemsnitlige afstand mellem Jorden og Solen). Som Beuther siger:"Dette er et glimrende eksempel på, hvordan teknologi driver astronomiske fremskridt. Vi kunne ikke have opnået vores resultater uden ALMAs hidtil usete rumlige opløsning og følsomhed."

Deres resultater, sammen med tidligere undersøgelser af den samme sky i større skalaer, indikerer, at termisk gasfysik vinder dagen, selv når det kommer til meget massive stjerner:Både størrelsen af ​​klumper i skyen og, som de nye observationer viser, af kerner i klumperne og endda af nogle kerneunderstrukturer er som forudsagt af Jeans-længdeberegninger, uden behov for yderligere ingredienser. Beuther kommenterer:"I vores tilfælde, samme fysik giver en ensartet beskrivelse. Fragmentering fra den største til den mindste skala ser ud til at være styret af de samme fysiske processer."

Små accretion-diske:en ny udfordring

Enkelhed er altid en velsignelse for videnskabelige beskrivelser. Imidlertid, de samme observationer gav også en opdagelse, der vil holde astronomerne på deres fælles tæer. Ud over at studere fragmentering, Beuther et al. havde søgt at optrevle strukturen af ​​spirende stjerner ("protostjerner") i skyen. Astronomer forventer, at en sådan protostjerne er omgivet af en hvirvlende gasskive, kaldet accretion disk. Fra den indre skive af fælgen, gas falder ned på den voksende stjerne, øge sin masse. Ud over, magnetiske felter produceret af bevægelsen af ​​ioniseret gas og selve gassen interagerer for at producere tæt fokuserede strømme kaldet jetfly, som skyder noget af stoffet ud i rummet vinkelret på den disk. Submillimeterlys fra disse områder bærer kontrollampe ("Doppler-udvidelse af spektrallinjer") på støvets bevægelse, som igen sporer gassens bevægelse. Men hvor Beuther og hans samarbejdspartnere havde håbet på en klar signatur fra en accretion disk, i stedet, han fandt hovedsageligt signaturen af ​​jetfly, skærer en forholdsvis jævn vej gennem den omgivende gas. Åbenbart, tilvækstskiverne er endnu mindre, end astronomerne havde forventet - en udfordring for fremtidige observationer med endnu større rumlig opløsning.