Forskere kortlægger Orion-tågen som aldrig før

Stjerne- og planetdannelse er en rodet affære. Det starter med gravitationssammenbrud af en gigantisk sky af gas og støv, som samtidig producerer massive stjerner, hvis intense strålingsfelt skaber et barsk miljø, samt mere beskedne stjerner, som vores sol, omgivet af en planetdannende skive, der er rig på organiske materialer.

Western University-astrofysikere Els Peeters og Jan Cami og postdoc- og kandidatforskere Ryan Chown, Ameek Sidhu, Baria Khan, Sofia Pasquini og Bethany Schefter var blandt de første videnskabsmænd i verden, der brugte James Webb-rumteleskopet (Webb) til videnskabelig forskning, og fokus var stjernedannelse.

"Stjernedannelsesprocessen er rodet, fordi stjernedannende områder indeholder stjerner med varierende masse på forskellige stadier af deres udvikling, mens de stadig er indlejret i deres fødselssky, og fordi mange forskellige fysiske og kemiske processer er i spil, som påvirker hinanden," sagde Peeters , en hovedefterforsker af PDRs4All JWST Early Release Science-programmet (ID1288) og fakultetsmedlem som en del af Western's Institute for Earth and Space Exploration.

Stjernedannelse er et meget aktivt felt både inden for teoretisk og observationel astrofysik, og Webb har vist sig at være nøglen til at få indsigt i disse processer.

"Vi forstår endnu ikke helt, hvordan disse processer former eller ødelægger planetdannende skiver, og heller ikke hvornår og hvordan disse skiver er podet med kemikalier, der er vigtige for livet. Det er derfor, vi gør, hvad vi gør," sagde Cami, direktør for Western's. Hume Cronyn Memorial Observatory og kernemedlem af PDRs4All.

Peeters leder det internationale PDRs4All-konsortium sammen med Emilie Habart fra University of Paris-Saclay, Frankrig og Olivier Berné fra University of Toulouse, Frankrig. PDRs4All-konsortiet består af mere end 120 forskere over hele kloden, inklusive astronomer, fysikere og kemikere, hvis komplementære ekspertise giver dem mulighed for fuldt ud at udnytte guldminen af ​​data opnået med Webb, det største, mest kraftfulde teleskop, der nogensinde er blevet opsendt i rummet.

PDRs4All pegede Webb mod Orion Bar, dybt inde i den berømte Orion-tåge, og samlede en skatkammer af billeder og spektroskopiske data. Hovedmålet med programmet er at afsløre de detaljerede fysiske og kemiske processer, der er relevante for stjerne- og planetdannelse.

Sammen med deres internationale samarbejdspartnere har Peeters og Cami nu udgivet en serie på seks artikler i tidsskriftet Astronomy &Astrophysics der præsenterer et overblik over deres hidtidige arbejde og det første dybt dyk ned i de små, grove detaljer om, hvad der foregår i Orion Bar.

Er dette min bedste side?

Mange af nøgleprocesserne i det interstellare rum foregår i såkaldte fotodissociationsområder (PDR'er, deraf programnavnet PDRs4All), hvor fysikken og kemien er fuldt ud bestemt af samspillet mellem UV-stråling med gas og støv. Orion Bar er den nærmeste PDR til Webb, der tilbyder sin mest nyttige og fotogene side til at studere disse processer i små fysiske skalaer.

"Dataene er utrolige og vil tjene som benchmarks for astrofysisk forskning i årtier fremover," sagde Peeters. "Indtil videre har vi kun udforsket en lille brøkdel af dataene, og dette har allerede resulteret i flere overraskende og store opdagelser."

I det seneste år har PDRs4All udgivet tre store undersøgelser offentliggjort i tidsskrifterne Nature , Naturastronomi og Videnskab .

"Jeg havde den absolutte fornøjelse at studere de fantastiske Webb-billeder i detaljer," sagde Habart, der ledede den første nye undersøgelse offentliggjort i dag (14. maj) i Astronomy &Astrophysics . "Billederne er så utroligt smukke og indviklede; det er let at se, hvorfor så mange mennesker i verden blev blæst omkuld, da de så dem første gang."

Med en masse, der er 2.000 gange større end solen, og synlig for det blotte øje, er Oriontågen det nærmeste massive stjernedannende område og er derfor et af de mest undersøgte og fotograferede objekter i Mælkevejen, og en af ​​offentlighedens foretrukne objekter på nattehimlen.

Webb-billederne er ulig noget andet sæt, betagende i de utrolige detaljer, de afslører, og viser alle mulige filamenter og kamme af forskellige former og farver, krydret med adskillige små planetdannende skiver.

Inden i Orion-tågen ligger Orion-stangen, et skarpt, diagonalt, højderyglignende træk af gas og støv. Orionbaren er i bund og grund kanten af ​​en astronomisk stor boble skåret ud af nogle af de massive stjerner, der driver tågen.

"De samme strukturelle detaljer, der giver disse billeder deres æstetiske tiltrækningskraft, afslører en mere kompliceret struktur, end vi oprindeligt troede – med forgrunds- og baggrundsgas og støv, der gør analysen lidt sværere.

"Men disse billeder er af en sådan kvalitet, at vi godt kan adskille disse områder og afsløre, at kanten af ​​Orion Bar er meget stejl, som en enorm mur, som forudsagt af teorier," sagde Habart.

Peeters, som også var en stor spiller i den nye serie Astronomy &Astrophysics undersøgelser, brugte nær-IR spektroskopiske data fra Orion Bar for at bringe forskningen til et helt nyt niveau.

"Disse billeder har så utrolige detaljer, at vi vil granske dem i mange år fremover," sagde hun.

Spektroskopiske observationer splitter lys op som en funktion af farve og afslører mange skarpe toppe, der er fingeraftryk af forskellige kemiske forbindelser i det opsamlede infrarøde lys.

En omhyggelig analyse af disse fingeraftryk giver forskere mulighed for at undersøge den kemiske sammensætning af tågen, men der er meget mere:Forskellige kombinationer af disse fingeraftryk kan bruges til at måle den lokale temperatur, tæthed og styrke af strålingsfeltet, og ved at måle disse for hver pixel skabte Peeters kort over, hvordan disse mængder ændrer sig i hele Orion Bar.

"Det spektroskopiske datasæt dækker et meget mindre område af himlen sammenlignet med billederne, men det indeholder et ton mere information. Et billede er mere end tusind ord værd, men vi astronomer siger kun halvt i spøg, at et spektrum er tusind billeder værd, men vi siger, at et spektrum er tusinde billeder værd. " sagde Peeters, der målte ikke mindre end 600 spektroskopiske fingeraftryk og brugte disse til at forbedre eksisterende PDR-modeller.

De resulterende data og forbedrede PDR-modeller blev præsenteret i det andet studie i Astronomy &Astrophysics , som Peeters førte.

"Det, der gør Orion Bar virkelig unik, er dens kant-på-geometri, der giver os et sæde på ringsiden til at studere i udsøgte detaljer de forskellige fysiske og kemiske processer, der sker, når vi bevæger os fra det meget udsatte, barske ioniserede område til det meget mere afskærmede områder, hvor der kan dannes molekylær gas," sagde Cami.

"Dette papir er en tour de force og krævede en reel herkulisk indsats at fuldføre, og det er et spring fremad i vores forståelse af, hvordan ændringer i det fysiske miljø påvirker kemien og omvendt."

Efterlader detaljer i støvet

Med de fysiske forhold kortlagt, vendte PDRs4All-teamet sin opmærksomhed mod et andet problem:støvemissionen. Tidligere observationer havde allerede afsløret en stejl variation i støvemissionen i Orion-baren, men oprindelsen af ​​disse variationer var ikke klar og præsenterede et mysterium, som længe satte astrofysikere i stå.

"De skarpe hyperspektrale Webb-data indeholder så meget mere information end tidligere observationer, at de tydeligt pegede på dæmpning af stråling fra støv og den effektive ødelæggelse af de mindste støvpartikler som den underliggende årsag til disse variationer," sagde Institut d'Astrophysique. Spatiale postdoc-forsker Meriem Elyajouri.

Elyajouri modellerede støvemissionen hen over den oplyste kant af Orion Bar og ledede en tredje undersøgelse, der beskrev holdets resultater.

De resterende tre artikler omhandler alle emission af store kulstofbærende molekyler kendt som polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er), som repræsenterer et af de største reservoirer af kulstofholdige materialer i universet. PAH'er indeholder op til 20 % af alt kosmisk kulstof, hvilket gør dem relevante for vores helt egne kosmiske rødder.

"Vi studerer, hvad der sker med kulstofholdige molekyler længe før kulstoffet kommer ind i vores kroppe," sagde Cami.

PAH-emission er typisk meget lys, og PAH-molekyler er utroligt robuste og modstandsdygtige.

"Det er da ikke overraskende, at de viser sig at være udbredte over hele universet og spredes ud over så store kosmologiske afstande. At studere dem i detaljer i nærliggende områder såsom Orion Bar, hvor vi har en god forståelse af det lokale fysiske og kemiske miljø er derfor afgørende for at fortolke observationer af fjerne galakser," sagde Sidhu, en tidligere vestlig postdoc-forsker.

Webb-data viser PAH-emissionsbåndene i udsøgte detaljer og afslører, at emissionsegenskaberne ændres på grund af stråling.

"Det er virkelig en forlegenhed af rigdomme," sagde Peeters. "Selvom disse store molekyler menes at være meget robuste, fandt vi ud af, at UV-stråling ændrer de overordnede egenskaber af de molekyler, der forårsager emissionen."

UV-stråling nedbryder faktisk nogle af de mindre kulstofmolekyler og ændrer, hvordan de større udstråler.

"Man ser faktisk ændringer, når man går fra dette meget barske miljø til de mere afskærmede miljøer," sagde den tidligere vestlige postdoc-forsker Ryan Chown, der ledede det fjerde studie.

Maskinlæring multipliceres

Chowns resultater er vigtige nye resultater, men de var baseret på analysen af ​​kun fem små regioner i Orion Bar, som er repræsentative for de forskellige miljøer i baren.

Sofia Pasquini, en masterstuderende under tilsyn af Peeters, brugte maskinlæringsteknikker til at analysere PAH-emissionen i hele datasættet bestående af mange tusinde spektre. Hun fandt også ud af, at i områder med mere UV-stråling er PAH'er typisk større, sandsynligvis fordi de mindre er ødelagt. Dette er grundlaget for den femte undersøgelse.

"De maskinlæringsteknikker, som Sofia brugte til at fortolke data udvundet fra tusindvis af pixels, producerer i det væsentlige det samme resultat, som vi fandt ved hjælp af de fem repræsentative regioner ved hjælp af mere traditionelle metoder," sagde Peeters. "Det giver os stor tillid til, at vores fortolkning er mere generelt gyldig og dermed en mere kraftfuld konklusion."

Som det viser sig, er der mere end blot ændringer i PAH'ernes størrelse. Ilane Schroetter, en postdoc-forsker ved University of Toulouse, Frankrig, anvendte også maskinlæringsteknikker på dataene. Hans resultater, offentliggjort i den sjette undersøgelse, bekræfter effekten af ​​UV-stråling på PAH-størrelsen, men fandt også meget tydelige ændringer i strukturen af ​​molekylerne.

"Disse papirer afslører en form for overlevelse af de stærkeste på molekylært niveau i de barskeste miljøer i rummet," sagde Cami.

Webb er det mest kraftfulde rumteleskop i menneskehedens historie. Den er udviklet i samarbejde med NASA, European Space Agency (ESA) og Canadian Space Agency (CSA) og kan prale af et ikonisk 6,5 meter bredt spejl, der består af et honeycomb-lignende mønster af 18 sekskantede, guldbelagte spejlsegmenter og et femlags, diamantformet solskjold på størrelse med en tennisbane.

Som partner modtager CSA en garanteret andel af Webbs observationstid, hvilket gør canadiske videnskabsmænd til nogle af de første til at studere data indsamlet af det mest avancerede rumteleskop, der nogensinde er bygget.

Flere oplysninger: Emilie Habart et al., PDRs4All:WST's NIR- og MIR-billeddannelsesbillede af Orion-tågen, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202346747

Els Peeters et al, PDRs4All:JWST's NIR spektroskopiske visning af Orion Bar, Astronomi &Astrofysik (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348244

M. Elyajouri et al., PDRs4All:Modellering af støvudviklingen på tværs af den oplyste kant af Orion Bar, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348728

Ryan Chown et al., PDRs4All:En forlegenhed af rigdomme:Aromatiske infrarøde bånd i Orion Bar, Astronomy &Astrophysics (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202346662

Sofia Pasquini et al., PDRs4All:Undersøgelse af den fotokemiske udvikling af PAH'er i Orion Bar ved hjælp af maskinlæringsteknikker, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348465

Ilane Schroetter et al., PDRs4All:Det 3,3 μm aromatiske infrarøde bånd som spor af fysiske egenskaber af det interstellare medium i galakser, Astronomi &Astrofysik (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348974

Journaloplysninger: Videnskab , Natur , Astronomi og astrofysik , Naturastronomi

Leveret af University of Western Ontario