NASAs Webb-teleskop til at optrevle gåder om en stjernebarneskole

En travl stjernebarneskole i den maleriske Oriontåge vil være genstand for undersøgelse for NASAs James Webb Space Telescope, planlagt til lancering i 2021. Et team ledet af Mark McCaughrean, Webb Interdisciplinary Scientist for Star Formation, vil undersøge et indre område af tågen kaldet Trapeziumklyngen. Denne hob er hjemsted for tusindvis af unge stjerner, alt sammen proppet ind i et rum kun 4 lysår på tværs - omkring afstanden fra vores sol til Alpha Centauri.

"Det er et sted, hvor der er mange meget unge stjerner, der er omkring en million år gamle, " forklarede McCaughrean, som også er den europæiske rumorganisations seniorrådgiver for videnskab og udforskning. "En million år virker måske ikke særlig ung, men hvis vores solsystem var en midaldrende person, stjernerne i denne klynge er bare babyer, tre eller fire dage gammel. Så der foregår alle mulige interessante ting med dem, som vi ikke ser i de ældre stjerner omkring os i dag. Vi er meget interesserede i at forstå, hvordan stjerner og deres planetsystemer udvikler sig i de allertidligste stadier."

Hvorfor Oriontågen? "Orion er det nærmeste område med massiv stjernedannelse til Solen, " sagde McCaughrean. "Der er steder tættere på Solen, der har unge, lavmasse stjerner, men der er ingen tættere på, der har både store stjerner og de allermindste objekter."

McCaughrean og hans team vil studere tre interessante fænomener i Trapezium-klyngen. Først, de vil undersøge fordelingen af ​​masserne af unge genstande i denne klynge. Næste, de vil undersøge de allertidligste faser af planetdannelsen omkring hobens unge stjerner. Endelig, holdet vil studere det materiale, som mange af de unge stjerner udsender i jetfly og udstrømninger. Observationerne er en del af et Guaranteed Time Observations (GTO)-program givet til McCaughrean på grund af hans rolle som Webb Interdisciplinary Scientist.

Sortering af stjerner og andre unge genstande

Bortset fra at undersøge hobens unge stjerner, forskerne vil se på kroppe med masser under stjerner, kaldet brune dværge. Disse er objekter, der dannes som stjerner via gravitationssammenbrud af gas- og støvskyer, men fordi de ikke har nok materiale, de udvikler aldrig de temperaturer og det tryk i deres centre, der er nødvendigt for at sammensmelte brint.

De vil også undersøge mindre genstande, svarer i masse til Jupiter eller endda Saturn. Kaldet "frit svævende, objekter med planetmasse, " de er ikke i kredsløb om en stjerne. Det er et åbent spørgsmål, om de danner sig som andre planeter gør - ved at samle gas og støv fra en protoplanetarisk skive, der er tilbage fra stjernedannelsen.

Opstod et sådant objekt oprindeligt som en planet omkring en stjerne, eller blev det dannet af den samme gas og støv, som stjernerne er dannet af, på egen hånd? McCaughrean og hans team forsøger at besvare det spørgsmål. "Kan vi finde en slags egenskaber, som disse ekstremt lavmasseobjekter udviser for at hjælpe os med at finde ud af, om de er dannet i isolation, eller rettere blev faktisk dannet som planeter i kredsløb om stjerner, og blev smidt ud i en form for interaktion?"

Forskerne vil bruge flerfarvede Webb-billeder til at finde objekter ned til meget lave masser og derefter se på, hvor mange af disse objekter der er i forskellige massekategorier – f.eks. hvor mange er som Solen; hvor mange er en tiendedel af Solens masse; og hvor mange er en hundrededel af Solens masse. De vil også bruge Webb til at analysere deres atmosfærer. Denne information vil fortælle forskerne meget om, hvordan disse kroppe skal have dannet sig, og hvordan de vil udvikle sig, når de bliver ældre.

At studere silhuetterne

Nogle nyfødte stjerner i denne børnehave er omgivet af skiver af gas og støv, der vises som silhuetter mod den lyse tåge. Astronomer mener, at planeter burde begynde at dannes inden for disse skiver. McCaughrean og hans team vil bruge Webbs høje opløsning, infrarød billeddannelse for at måle størrelsen af ​​disse diske. Ved at sammenligne dem med synlige billeder lavet med Hubble-rumteleskopet, holdet vil lære om støvets sammensætning, som vil hjælpe dem med at forstå de allertidligste faser af planetdannelse.

Opmåling af jetfly og udstrømninger

Mens unge stjerner samler materiale fra gas og støv, der omgiver dem, de fleste skubber også en brøkdel af dette materiale ud igen fra deres polære områder i jetfly og udstrømninger. Denne proces er en integreret del af stjernedannelsen. Fordi Oriontågen er hjemsted for mange, mange unge stjerner, der er mange jetfly og udstrømninger i regionen, både store og små. Holdet vil bruge Webb til at måle de fine strukturer i disse udstrømninger og bestemme deres hastigheder, samt vurdere deres kumulative feedback på de omgivende stjernedannende skyer.

Hvorfor Webb?

Når stjerner er meget unge, de er omgivet af den gas og støv, som de er lavet af. Støvet absorberer synligt bølgelængdelys og skjuler stjernerne bag en uigennemsigtig skærm. Men langbølget lys kan trænge igennem støvet, og derfor selv hvis astronomer ikke er i stand til at se stjernerne i synligt lys, de er ofte stadig sporbare i det infrarøde.

Også, når genstande er unge og stadig dannes, de bliver ikke specielt varme. Det betyder, at de ikke lyser klart i synlige bølgelængder, men i stedet udsender det meste af deres lys i det infrarøde. Infrarøde undersøgelser ved hjælp af jordbaserede teleskoper har vist, at der er mange brune dværge i Trapezium-klyngen, men de har ikke været i stand til at finde unge genstande under massen af ​​omkring tre Jupiters. Det er der to grunde til.

Først, Jordens atmosfære mellem jorden og de genstande, der studeres, lyser klart i det infrarøde. "På en måde, det er lidt som at prøve at lave astronomi med synlig bølgelængde om dagen, " forklarede McCaughrean. "Du kan se relativt lyse ting mod den glød, men du kan ikke se meget svage ting. Webb vil være over Jordens glødende atmosfære og gøre det muligt."

Den anden grund er, at i modsætning til jordbaserede teleskoper, Webb selv vil være meget kold. "Mennesker er varme og lyser i det infrarøde; jordbaserede teleskoper lyser også i det infrarøde, " sagde McCaughrean. "Så, når du kommer til disse seje, objekter med tre Jupitermasse, næsten alt lys kommer ud ved ret lange bølgelængder, hvor selve teleskopet lyser meget kraftigt. I rummet, du kan køle et teleskop ned til et punkt, hvor det slet ikke lyser i de bølgelængder. Og det betyder, at du pludselig skulle være i stand til at se alle disse nye, meget svag, ekstremt lavmassende unge genstande, ting, du aldrig vil se fra jorden."

Webb, en kraftfuld, infrarødt rumteleskop, vil således være enestående i stand til at studere disse unge stjerner, brune dværge, og frit svævende objekter med planetmasse, såvel som deres protoplanetariske skiver, jetfly, og udstrømninger, i områder som Oriontågen.

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.