3D-rekonstruktion afslører stjernedannelsesaktiviteter af to støvskyer

Ved hjælp af titusindvis af stjerner observeret af Gaia-rumsonden har astronomer fra MPIA og Chalmers afsløret 3D-formerne af to store stjernedannende molekylære skyer, California Cloud og Orion A Cloud. I konventionelle 2D-billeder fremstår de ens struktureret og indeholder filamenter af støv og gas med tilsyneladende sammenlignelige tætheder. I 3D ser de dog ret forskellige ud. Faktisk er deres tætheder meget mere forskellige, end deres billeder projiceret på himlens plan antyder. Dette resultat løser det mangeårige mysterium om, hvorfor disse to skyer danner stjerner med forskellige hastigheder.

Kosmiske skyer af gas og støv er stjernernes fødesteder. Mere specifikt dannes stjerner i de tætteste lommer af sådant materiale. Temperaturerne falder til næsten det absolutte nulpunkt, og den tætpakkede gas kollapser under sin egen vægt og danner til sidst en stjerne. "Densitet, mængden af ​​stof komprimeret til et givet volumen, er en af ​​de afgørende egenskaber, der bestemmer effektiviteten af ​​stjernedannelse," siger Sara Rezaei Khoshbakht. Hun er astronom ved Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland og hovedforfatter til en ny artikel offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters i dag.

I et pilotstudie portrætteret i denne artikel har Sara Rezaei Khoshbakht og medforfatter Jouni Kainulainen anvendt en metode, som giver dem mulighed for at rekonstruere 3D-morfologier af molekylære skyer til to gigantiske stjernedannende skyer. Kainulainen er videnskabsmand ved Chalmers Tekniske Universitet i Göteborg, Sverige, som også plejede at arbejde på MPIA. Deres mål var Orion A Cloud og California Cloud.

Normalt er det svært at måle tætheden i skyer. "Alt, hvad vi ser, når vi observerer objekter i rummet, er deres todimensionelle projektion på en imaginær himmelsfære," forklarer Jouni Kainulainen. Han er ekspert i at fortolke kosmisk stofs indflydelse på stjernelys og beregne tætheder ud fra sådanne data. Kainulainen tilføjer:"Konventionelle observationer mangler den nødvendige dybde. Derfor er den eneste tæthed, vi normalt kan udlede fra sådanne data, den såkaldte kolonnetæthed."

Søjletætheden er massen tilføjet langs en sigtelinje divideret med det projicerede tværsnit. Derfor afspejler disse søjletætheder ikke nødvendigvis den faktiske tæthed af molekylære skyer, hvilket er problematisk, når skyegenskaber relateres til stjernedannelsesaktivitet. Faktisk deler billederne af de to undersøgte skyer i dette arbejde, der viser den termiske støvemission, tilsyneladende lignende strukturer og tætheder. Imidlertid har deres vidt forskellige stjernedannelseshastigheder undret astronomer i mange år.

I stedet viser den nye 3D-rekonstruktion nu, at de to skyer trods alt ikke er så ens. På trods af det filamentære udseende, som 2D-billederne viser, er California Cloud et fladt og næsten 500 lysår langt ark materiale med en stor boble, der strækker sig nedenunder. Man kan således ikke tilskrive en enkelt afstand til California Cloud, som har betydelige konsekvenser for fortolkningen af ​​dens egenskaber. Fra vores perspektiv på Jorden er den næsten kantorienteret, hvilket kun simulerer en filamentær struktur. Som et resultat er arkets faktiske tæthed meget lavere end søjletætheden antyder, hvilket forklarer uoverensstemmelsen mellem de tidligere tæthedsestimater og skyens stjernedannelseshastighed.

Og hvordan ser Orion A Cloud ud i 3D? Holdet bekræftede dets tætte filamentære struktur set i 2D-billederne. Dens faktiske morfologi adskiller sig dog også fra det, vi ser i 2D. Orion A er ret kompleks med yderligere kondensering langs den fremtrædende højderyg af gas og støv. I gennemsnit er Orion A meget tættere end Californiens sky, hvilket forklarer dens mere udtalte stjernedannelsesaktivitet.

Sara Rezaei Khoshbakht, også tilknyttet Chalmers University of Technology, udviklede 3D-rekonstruktionsmetoden under sin ph.d. hos MPIA. Det involverer at analysere ændringen af ​​stjernelys, når det passerer gennem disse skyer af gas og støv, som målt af Gaia-rumsonden og andre teleskoper. Gaia er et projekt af European Space Agency (ESA), hvis primære formål er præcist at måle afstandene til over en milliard stjerner i Mælkevejen. Disse afstande er afgørende for 3D-rekonstruktionsmetoden.

"Vi analyserede og krydskorrelerede lyset fra 160.000 og 60.000 stjerner for henholdsvis Californien og Orion A-skyerne," siger Sara Rezaei Khoshbakht. De to astronomer rekonstruerede skyens morfologier og tætheder med en opløsning på kun 15 lysår. "Dette er ikke den eneste tilgang, astronomer anvender til at udlede rumlige skystrukturer," tilføjer Rezaei Khosbakht. "Men vores producerer robuste og pålidelige resultater uden numeriske artefakter."

Denne undersøgelse beviser sit potentiale til at forbedre forskningen i stjernedannelse i Mælkevejen ved at tilføje en tredje dimension. "Jeg tror, ​​at et vigtigt resultat af dette arbejde er, at det udfordrer undersøgelser, der udelukkende er afhængige af søjletæthedstærskler for at udlede stjernedannelsesegenskaber og sammenligne dem med hinanden," konkluderer Sara Rezaei Khoshbakht.

Dette arbejde er dog kun det første skridt i det, astronomerne ønsker at opnå. Sara Rezaei Khoshbakht forfølger et projekt, der i sidste ende vil producere den rumlige fordeling af støv i hele Mælkevejen og afsløre dets forbindelse til stjernedannelse. + Udforsk yderligere

Strukturen af ​​den molekylære sky Orion A undersøgt i detaljer