Den kosmiske pendling mod stjerne- og planetdannelse

Den molekylære gas i galakser er organiseret i et hierarki af strukturer. Det molekylære materiale i gigantiske molekylære gasskyer bevæger sig langs indviklede netværk af filamentære gasbaner mod de overbelastede centre af gas og støv, hvor det komprimeres til stjerner og planeter, ligesom de millioner af mennesker, der pendler til byer for at arbejde rundt om i verden.

For bedre at forstå denne proces, et hold astronomer ledet af Jonathan Henshaw ved Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) har målt bevægelsen af ​​gas, der strømmer fra galakseskalaer ned til skalaerne af de gasklumper, inden for hvilke individuelle stjerner dannes. Deres resultater viser, at gassen, der strømmer gennem hver skala, er dynamisk forbundet:mens stjerne- og planetdannelse sker på de mindste skalaer, denne proces styres af en kaskade af stofstrømme, der begynder på galaktiske skalaer. Disse resultater er offentliggjort i dag i det videnskabelige tidsskrift Natur astronomi .

Den molekylære gas i galakser sættes i bevægelse af fysiske mekanismer såsom galaktisk rotation, supernova eksplosioner, magnetiske felter, turbulens, og tyngdekraften, forme gassens struktur. Det er svært at forstå, hvordan disse bevægelser direkte påvirker stjerne- og planetdannelsen, fordi det kræver kvantificering af gasbevægelser over et stort område i rumlig skala, og derefter forbinde denne bevægelse med de fysiske strukturer, vi observerer. Moderne astrofysiske faciliteter kortlægger nu rutinemæssigt enorme områder af himlen, med nogle kort, der indeholder millioner af pixels, hver med hundreder til tusinder af uafhængige hastighedsmålinger. Som resultat, at måle disse bevægelser er både videnskabeligt og teknologisk udfordrende.

For at imødegå disse udfordringer, et internationalt team af forskere ledet af Jonathan Henshaw ved MPIA i Heidelberg satte sig for at måle gasbevægelser gennem en række forskellige miljøer ved hjælp af observationer af gassen i Mælkevejen og en nærliggende galakse. De detekterer disse bevægelser ved at måle den tilsyneladende ændring i frekvensen af ​​lys udsendt af molekyler forårsaget af den relative bevægelse mellem lyskilden og observatøren; et fænomen kendt som Doppler-effekten. Ved at anvende ny software designet af Henshaw og Ph.D. studerende Manuel Riener (medforfatter på papiret; også på MPIA), holdet var i stand til at analysere millioner af målinger. "Denne metode gjorde det muligt for os at visualisere det interstellare medium på en ny måde, " siger Henshaw.

Forskerne fandt ud af, at kolde molekylære gasbevægelser ser ud til at svinge i hastighed, minder i udseende om bølger på overfladen af ​​havet. Disse udsving repræsenterer gasbevægelse. "Udsvingene i sig selv var ikke særlig overraskende, vi ved, at gassen bevæger sig, " siger Henshaw. Steve Longmore, medforfatter til avisen, baseret på Liverpool John Moores University, tilføjer, "Det, der overraskede os, var, hvor ens hastighedsstrukturen i disse forskellige områder så ud. Det var lige meget, om vi så på en hel galakse eller en individuel sky i vores egen galakse, strukturen er mere eller mindre den samme."

For bedre at forstå arten af ​​gasstrømmene, holdet udvalgte flere regioner til nøje undersøgelse, ved hjælp af avancerede statistiske teknikker til at se efter forskelle mellem udsvingene. Ved at kombinere en række forskellige målinger, forskerne var i stand til at bestemme, hvordan hastighedsudsvingene afhænger af den rumlige skala.

"Et pænt træk ved vores analyseteknikker er, at de er følsomme over for periodicitet, " forklarer Henshaw. "Hvis der er gentagne mønstre i dine data, såsom lige store molekylære skyer langs en spiralarm, vi kan direkte identificere den skala, som mønsteret gentager sig på." Holdet identificerede tre filamentære gasbaner, hvilken, på trods af at spore vidt forskellige skalaer, alle syntes at vise struktur, der var nogenlunde lige langt langs deres toppe, som perler på en snor, om det var gigantiske molekylære skyer langs en spiralarm eller bittesmå "kerner", der danner stjerner langs en glødetråd.

Holdet opdagede, at hastighedsudsvingene forbundet med ækvidistant fordelt struktur alle viste et karakteristisk mønster. "Udsvingene ligner bølger, der svinger langs toppen af ​​filamenterne, de har en veldefineret amplitude og bølgelængde, " siger Henshaw og tilføjer, "Den periodiske afstand mellem de gigantiske molekylære skyer på store skalaer eller individuelle stjernedannende kerner på små skalaer er sandsynligvis resultatet af, at deres moderfilamenter er blevet gravitationsmæssigt ustabile. Vi mener, at disse oscillerende strømme er signaturen på gas, der strømmer langs spiralarme eller konvergerer mod tæthedstoppene, leverer nyt brændstof til stjernedannelse."

I modsætning, holdet fandt ud af, at hastighedsudsvingene målt gennem gigantiske molekylære skyer, på skalaer mellem hele skyer og de små kerner i dem, viser ingen tydelig karakteristisk skala. Diederik Kruijssen, medforfatter af papiret baseret på Heidelberg Universitet forklarer:"Tæthed og hastighedsstrukturer, som vi ser i gigantiske molekylære skyer, er 'skalafri', fordi de turbulente gasstrømme, der genererer disse strukturer, danner en kaotisk kaskade, afslører stadig mindre udsving, når du zoomer ind - meget ligesom en romansk broccoli, eller et snefnug. Denne skalafri adfærd finder sted mellem to veldefinerede yderpunkter:den store skala af hele skyen, og den lille skala af kernerne, der danner individuelle stjerner. Vi finder nu, at disse ekstremer har veldefinerede karakteristiske størrelser, men i mellem dem hersker kaos."

"Forestil dig de gigantiske molekylære skyer som lige store megabyer forbundet af motorveje, " siger Henshaw. "Fra et fugleperspektiv, strukturen af ​​disse byer, og bilerne og folk, der bevæger sig igennem dem, fremstår kaotisk og uordnet. Imidlertid, når vi zoomer ind på individuelle veje, vi ser folk, der er rejst langvejs fra, gå ind i deres individuelle kontorbygninger på en velordnet måde. Kontorbygningerne repræsenterer de tætte og kolde gaskerner, hvorfra stjerner og planeter er født."