Hubble viser, at voldsomme udstrømninger fra spædbarnsstjerner måske ikke stopper dem i at vokse

Stjerner er ikke blege for at annoncere deres fødsler. Da de er født fra sammenbruddet af gigantiske skyer af brintgas og begynder at vokse, de sender orkanlignende vinde og spinner, jetfly i plænesprinkler-stil, der skyder af sted i modsatte retninger.

Denne handling skærer store hulrum ud i de gigantiske gasskyer. Astronomer troede, at disse stjernernes raserianfald til sidst ville rydde ud af den omgivende gassky, standse stjernens vækst. Men i en omfattende analyse af 304 spæde stjerner i Orion-komplekset, den nærmeste større stjernedannende region til Jorden, forskere opdagede, at gasrensning ved en stjernes udstrømning måske ikke er så vigtig for at bestemme dens endelige masse, som konventionelle teorier antyder. Deres undersøgelse var baseret på tidligere indsamlede data fra NASAs Hubble- og Spitzer-rumteleskoper og Den Europæiske Rumorganisations Herschel-rumteleskop.

Undersøgelsen lader astronomer stadig undre sig over, hvorfor stjernedannelse er så ineffektiv. Kun 30 % af en brintgasskys oprindelige masse ender op som en nyfødt stjerne.

Selvom vores galakse er en enorm by med mindst 200 milliarder stjerner, detaljerne om, hvordan de blev dannet, forbliver stort set skjult i mystik.

Forskere ved, at stjerner dannes ved kollaps af enorme brintskyer, der presses under tyngdekraften til det punkt, hvor kernefusion antændes. Men kun omkring 30 procent af skyens oprindelige masse ender op som en nyfødt stjerne. Hvor bliver resten af ​​brinten af ​​under sådan en frygtelig ineffektiv proces?

Det er blevet antaget, at en nydannet stjerne blæser en masse varm gas af gennem lyssabelformede udstrømmende stråler og orkanlignende vinde, der sendes fra den omkransende skive af kraftige magnetfelter. Dette fyrværkeri skulle dæmpe yderligere vækst af den centrale stjerne. Men en ny, omfattende Hubble-undersøgelse viser, at denne mest almindelige forklaring ikke ser ud til at virke, efterlader astronomer forundret.

Forskere brugte data tidligere indsamlet fra NASA's Hubble- og Spitzer-rumteleskoper og Den Europæiske Rumorganisations Herschel-rumteleskop til at analysere 304 udviklende stjerner. kaldet protostjerner, i Orion-komplekset, den nærmeste større stjernedannende region til Jorden. (Spitzer og Herschel er ikke længere operationelle.)

I denne hidtil største undersøgelse af spirende stjerner, forskere finder ud af, at gas-clearing ved en stjernes udstrømning måske ikke er så vigtig for at bestemme dens endelige masse, som konventionelle teorier antyder. Forskernes mål var at afgøre, om stjernernes udstrømning stopper indfaldet af gas på en stjerne og stopper den i at vokse.

I stedet, de fandt ud af, at hulrummene i den omgivende gassky, formet af en formende stjernes udstrømning, ikke voksede regelmæssigt, efterhånden som de modnes, som teorier foreslår.

"I en stjernedannelsesmodel, hvis du starter med et lille hulrum, da protostjernen hurtigt bliver mere udviklet, dens udstrømning skaber et stadigt større hulrum, indtil den omgivende gas til sidst blæses væk, efterlader en isoleret stjerne, " forklarede ledende forsker Nolan Habel fra University of Toledo i Ohio.

"Vores observationer indikerer, at der ikke er nogen progressiv vækst, vi kan finde, så hulrummene vokser ikke, før de skubber al massen ud i skyen. Så, der må være en anden proces i gang, der fjerner den gas, der ikke ender i stjernen."

The team's results will appear in an upcoming issue of The Astrofysisk tidsskrift .

En stjerne er født

During a star's relatively brief birthing stage, lasting only about 500, 000 år, the star quickly bulks up on mass. What gets messy is that, as the star grows, it launches a wind, as well as a pair of spinning, lawn-sprinkler-style jets shooting off in opposite directions. These outflows begin to eat away at the surrounding cloud, creating cavities in the gas.

Popular theories predict that as the young star evolves and the outflows continue, the cavities grow wider until the entire gas cloud around the star is completely pushed away. With its gas tank empty, the star stops accreting mass—in other words, it stops growing.

To look for cavity growth, the researchers first sorted the protostars by age by analyzing Herschel and Spitzer data of each star's light output. The protostars in the Hubble observations were also observed as part of the Herschel telescope's Herschel Orion Protostar Survey.

Then the astronomers observed the cavities in near-infrared light with Hubble's Near-infrared Camera and Multi-object Spectrometer and Wide Field Camera 3. The observations were taken between 2008 and 2017. Although the stars themselves are shrouded in dust, they emit powerful radiation which strikes the cavity walls and scatters off dust grains, illuminating the gaps in the gaseous envelopes in infrared light.

The Hubble images reveal the details of the cavities produced by protostars at various stages of evolution. Habel's team used the images to measure the structures' shapes and estimate the volumes of gas cleared out to form the cavities. Ud fra denne analyse, they could estimate the amount of mass that had been cleared out by the stars' outbursts.

"We find that at the end of the protostellar phase, where most of the gas has fallen from the surrounding cloud onto the star, a number of young stars still have fairly narrow cavities, " said team member Tom Megeath of the University of Toledo. "So, this picture that is still commonly held of what determines the mass of a star and what halts the infall of gas is that this growing outflow cavity scoops up all of the gas. This has been pretty fundamental to our idea of how star formation proceeds, but it just doesn't seem to fit the data here."

Future telescopes such as NASA's upcoming James Webb Space Telescope will probe deeper into a protostar's formation process. Webb spectroscopic observations will observe the inner regions of disks surrounding protostars in infrared light, looking for jets in the youngest sources. Webb also will help astronomers measure the accretion rate of material from the disk onto the star, and study how the inner disk is interacting with the outflow.