NASAs Webb for at studere, hvordan massive stjerners eksplosioner af stråling påvirker deres omgivelser

I en nærliggende stjerneplanteskole kaldet Oriontågen, ung, massive stjerner sprænger langt ultraviolet lys mod den sky af støv og gas, hvorfra de blev født. Denne intense strøm af stråling forstyrrer skyen voldsomt ved at bryde molekyler fra hinanden, ioniserende atomer og molekyler ved at strippe deres elektroner, og opvarmning af gas og støv. Et internationalt hold, der bruger NASAs James Webb-rumteleskop, som efter planen lanceres i oktober, vil studere en del af den udstrålede sky kaldet Orion Bar for at lære mere om den indflydelse, massive stjerner har på deres miljøer, og endda på dannelsen af ​​vores eget solsystem.

"Det faktum, at massive stjerner former strukturen af ​​galakser gennem deres eksplosioner som supernovaer, har været kendt i lang tid. Men hvad folk har opdaget for nylig er, at massive stjerner også påvirker deres miljøer ikke kun som supernovaer, men gennem deres vinde og stråling i løbet af deres liv, " sagde en af ​​holdets hovedefterforskere, Olivier Berné, en forsker ved det franske nationale center for videnskabelig forskning i Toulouse.

Hvorfor Orion Bar?

Selvom det måske lyder som et vandhul om fredagen, Orionbaren er faktisk en højderyglignende egenskab af gas og støv i den spektakulære Oriontåge. Lidt mere end 1, 300 lysår væk, denne tåge er det nærmeste område med massiv stjernedannelse til Solen. Orion Bar er skulptureret af den intense stråling fra nærliggende, hed, unge stjerner, og ved første øjekast ser det ud til at være formet som en bar. Det er en "fotodissociationsregion, " eller PDR, hvor ultraviolet lys fra unge, massive stjerner skaber en for det meste neutral, men varmt, område af gas og støv mellem den fuldt ioniserede gas, der omgiver de massive stjerner, og skyerne, hvori de er født. Denne ultraviolette stråling påvirker i høj grad gaskemien i disse områder og fungerer som den vigtigste varmekilde.

PDR'er opstår, hvor interstellar gas er tæt og kold nok til at forblive neutral, men ikke tæt nok til at forhindre indtrængen af ​​langt ultraviolet lys fra massive stjerner. Emissioner fra disse områder giver et unikt værktøj til at studere de fysiske og kemiske processer, der er vigtige for det meste af massen mellem og omkring stjerner. Processerne med stråling og skyafbrydelse driver udviklingen af ​​interstellart stof i vores galakse og i hele universet fra den tidlige æra med kraftig stjernedannelse til i dag.

"Orion Bar er sandsynligvis prototypen på en PDR, " forklarede Els Peeters, en anden af ​​holdets hovedefterforskere. Peeters er professor ved University of Western Ontario og medlem af SETI Institute. "Det er blevet grundigt undersøgt, så det er godt karakteriseret. Det er meget tæt på, og det er virkelig set kant på. Det betyder, at du kan undersøge de forskellige overgangsregioner. Og da det er tæt på, denne overgang fra et område til et andet er rumligt adskilt, hvis du har et teleskop med høj rumlig opløsning."

Orion Bar er repræsentativ for, hvad videnskabsmænd tror, ​​var de barske fysiske forhold for PDR'er i universet for milliarder af år siden. "Vi mener, at på nuværende tidspunkt, du havde 'Oriontåger' overalt i universet, i mange galakser, " sagde Berné. "Vi tror, ​​at det kan være repræsentativt for de fysiske forhold i form af det ultraviolette strålingsfelt i det, der kaldes 'starburst-galakser,' ' som dominerer æraen med stjernedannelse, da universet var omkring halvdelen af ​​dets nuværende alder."

Dannelsen af ​​planetsystemer i interstellare områder bestrålet af massive unge stjerner er fortsat et åbent spørgsmål. Detaljerede observationer ville gøre det muligt for astronomer at forstå virkningen af ​​den ultraviolette stråling på massen og sammensætningen af ​​nydannede stjerner og planeter.

I særdeleshed, undersøgelser af meteoritter tyder på, at solsystemet er dannet i et område, der ligner Oriontågen. At observere Orion Bar er en måde at forstå vores fortid på. Det tjener som en model til at lære om de meget tidlige stadier af dannelsen af ​​solsystemet.

Som en lagkage i rummet

PDR'er blev længe anset for at være homogene områder med varm gas og støv. Nu ved forskerne, at de er meget stratificerede, som en lagkage. I virkeligheden, Orion Bar er slet ikke en "bar". I stedet, den indeholder en masse struktur og fire adskilte zoner. Disse er:

• Den molekylære zone, et koldt og tæt område, hvor gassen er i form af molekyler, og hvor stjerner kan dannes;
• Dissociationsfronten, hvor molekylerne går i stykker til atomer, når temperaturen stiger;
• Ioniseringsfronten, hvor gassen er strippet for elektroner, bliver ioniseret, da temperaturen stiger dramatisk;
• Den fuldt ioniserede gasstrøm ind i et atomområde, ioniseret brint.

"Med Webb, vi vil være i stand til at adskille og studere de forskellige regioners fysiske forhold, som er helt anderledes, sagde Emilie Habart, en anden af ​​holdets hovedefterforskere. Habart er videnskabsmand ved det franske institut for rumastrofysik og universitetslektor ved Paris-Saclay University. "Vi vil studere passagen fra meget varme områder til meget kolde. Det er første gang, vi vil være i stand til det."

Fænomenet med disse zoner ligner meget, hvad der sker med varme fra en pejs. Når du bevæger dig væk fra ilden, temperaturen falder. Tilsvarende strålingsfeltet ændres med afstanden fra en massiv stjerne. På samme måde, materialets sammensætning ændrer sig i forskellige afstande fra den stjerne. med Webb, videnskabsmænd vil for første gang løse hver enkelt region inden for den lagdelte struktur i det infrarøde og karakterisere den fuldstændigt.

Baner vejen for fremtidige observationer

Disse observationer vil være en del af Director's Discretionary-Early Release Science-program, som giver observationstid til udvalgte projekter tidligt i teleskopets mission. Dette program giver det astronomiske samfund mulighed for hurtigt at lære, hvordan man bedst bruger Webbs muligheder, samtidig med at det giver robust videnskab.

Et mål med Orion Bar-arbejdet er at identificere de egenskaber, der vil tjene som skabelon for fremtidige studier af fjernere PDR'er. På større afstande, de forskellige zoner kan sløres sammen. Oplysninger fra Orion Bar vil være nyttige til fortolkning af disse data. Orion Bar-observationerne vil være tilgængelige for det bredere videnskabssamfund meget hurtigt efter deres indsamling.

"Det meste af det lys, som vi modtager fra meget fjerne galakser, kommer fra 'Orion-tåger', der ligger i disse galakser, " forklarede Berné. "Så det giver god mening at observere Orion-tågen, der er i nærheden af ​​os, meget detaljeret for derefter at forstå emissionerne fra disse meget fjerne galakser, der indeholder mange Orion-lignende områder i dem."

Kun muligt med Webb

Med sin placering i rummet, infrarød kapacitet, følsomhed, og rumlig opløsning, Webb giver en unik mulighed for at studere Orion Bar. Holdet vil undersøge denne region ved hjælp af Webbs kameraer og spektrografer.

"Det er virkelig første gang, vi har så god bølgelængdedækning og vinkelopløsning, " sagde Berné. "Vi er meget interesserede i spektroskopi, fordi det er der, du ser alle de 'fingeraftryk', der giver dig den detaljerede information om de fysiske forhold. Men vi ønsker også, at billederne skal se strukturen og organiseringen af ​​stof. Når du kombinerer spektroskopi og billeddannelse i dette unikke infrarøde område, du får al den information, du behøver for at udføre den videnskab, vi er interesseret i."