Het moleculaire gas in sterrenstelsels is georganiseerd in een hiërarchie van structuren. Het moleculaire materiaal in gigantische moleculaire gaswolken reist langs ingewikkelde netwerken van draadvormige gasbanen naar de overbelaste centra van gas en stof waar het wordt samengeperst tot sterren en planeten, net als de miljoenen mensen die over de hele wereld naar steden pendelen voor werk.

Om dit proces beter te begrijpen, een team van astronomen onder leiding van Jonathan Henshaw van het Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) heeft de beweging gemeten van gas dat van de schalen van sterrenstelsels stroomt naar de schalen van de gasklonten waarbinnen individuele sterren worden gevormd. Hun resultaten laten zien dat het gas dat door elke schaal stroomt dynamisch met elkaar verbonden is:terwijl ster- en planeetvorming op de kleinste schalen plaatsvindt, dit proces wordt gecontroleerd door een cascade van materiestromen die beginnen op galactische schalen. Deze resultaten worden vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurastronomie .

Het moleculaire gas in sterrenstelsels wordt in beweging gebracht door fysieke mechanismen zoals galactische rotatie, supernova-explosies, magnetische velden, turbulentie, en zwaartekracht, het vormen van de structuur van het gas. Begrijpen hoe deze bewegingen direct van invloed zijn op de vorming van sterren en planeten is moeilijk, omdat het kwantificering van gasbeweging over een enorm bereik in ruimtelijke schaal vereist, en vervolgens deze beweging te koppelen aan de fysieke structuren die we waarnemen. Moderne astrofysische faciliteiten brengen nu routinematig grote delen van de hemel in kaart, met sommige kaarten die miljoenen pixels bevatten, elk met honderden tot duizenden onafhankelijke snelheidsmetingen. Als resultaat, het meten van deze bewegingen is zowel wetenschappelijk als technologisch uitdagend.

Om deze uitdagingen aan te gaan, een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Jonathan Henshaw van de MPIA in Heidelberg ging gasbewegingen in verschillende omgevingen meten met behulp van observaties van het gas in de Melkweg en een nabijgelegen melkwegstelsel. Ze detecteren deze bewegingen door de schijnbare verandering te meten in de frequentie van het door moleculen uitgezonden licht, veroorzaakt door de relatieve beweging tussen de lichtbron en de waarnemer; een fenomeen dat bekend staat als het Doppler-effect. Door het toepassen van nieuwe software ontworpen door Henshaw en Ph.D. student Manuel Riener (co-auteur van de paper; ook bij MPIA), het team kon miljoenen metingen analyseren. "Deze methode stelde ons in staat om het interstellaire medium op een nieuwe manier te visualiseren, ' zegt Hensja.

De onderzoekers ontdekten dat koude moleculaire gasbewegingen in snelheid lijken te fluctueren, doet denken aan golven op het oppervlak van de oceaan. Deze fluctuaties vertegenwoordigen gasbeweging. "De fluctuaties zelf waren niet bijzonder verrassend, we weten dat het gas beweegt, " zegt Henshaw. Steve Longmore, co-auteur van het artikel, gevestigd aan de Liverpool John Moores University, voegt toe, "Wat ons verraste, was hoe vergelijkbaar de snelheidsstructuur van deze verschillende regio's leek. Het maakte niet uit of we naar een heel sterrenstelsel of een individuele wolk in ons eigen sterrenstelsel keken, de structuur is min of meer hetzelfde."

Om de aard van de gasstromen beter te begrijpen, het team selecteerde verschillende regio's voor nauwkeurig onderzoek, met behulp van geavanceerde statistische technieken om te zoeken naar verschillen tussen de fluctuaties. Door een verscheidenheid aan verschillende metingen te combineren, de onderzoekers konden bepalen hoe de snelheidsfluctuaties afhankelijk zijn van de ruimtelijke schaal.

"Een mooi kenmerk van onze analysetechnieken is dat ze gevoelig zijn voor periodiciteit, " legt Henshaw uit. "Als er zich herhalende patronen in uw gegevens zoals op gelijke afstand van elkaar liggende gigantische moleculaire wolken langs een spiraalarm, we kunnen direct de schaal identificeren waarop het patroon zich herhaalt." Het team identificeerde drie draadvormige gasbanen, die, ondanks het traceren van enorm verschillende schalen, ze leken allemaal een structuur te vertonen die ongeveer op gelijke afstanden langs hun toppen lag, als kralen aan een touwtje, of het nu gigantische moleculaire wolken langs een spiraalarm waren of kleine "kernen" die sterren langs een gloeidraad vormden.

Het team ontdekte dat de snelheidsfluctuaties die samenhangen met structuren op gelijke afstanden allemaal een onderscheidend patroon vertoonden. "De fluctuaties zien eruit als golven die oscilleren langs de toppen van de filamenten, ze hebben een goed gedefinieerde amplitude en golflengte, " zegt Henshaw en voegt eraan toe:"De periodieke afstand tussen de gigantische moleculaire wolken op grote schalen of individuele stervormende kernen op kleine schaal is waarschijnlijk het gevolg van het feit dat hun moederfilamenten zwaartekracht onstabiel worden. We geloven dat deze oscillerende stromen het kenmerk zijn van gas dat langs spiraalarmen stroomt of convergerend naar de dichtheidspieken, het leveren van nieuwe brandstof voor stervorming."

In tegenstelling tot, het team ontdekte dat de snelheidsfluctuaties gemeten door gigantische moleculaire wolken, op schalen tussen hele wolken en de kleine kernen erin, vertonen geen duidelijke karakteristieke schaal. Diederik Kruijssen, co-auteur van het artikel gebaseerd op de Universiteit van Heidelberg legt uit:"De dichtheids- en snelheidsstructuren die we zien in gigantische moleculaire wolken zijn 'schaalvrij', omdat de turbulente gasstromen die deze structuren genereren een chaotische cascade vormen, steeds kleinere schommelingen zichtbaar als je inzoomt - net als een Romanesco-broccoli, of een sneeuwvlok. Dit schaalvrije gedrag vindt plaats tussen twee welomschreven uitersten:de grote schaal van de hele cloud, en de kleine schaal van de kernen die individuele sterren vormen. We ontdekken nu dat deze uitersten goed gedefinieerde karakteristieke afmetingen hebben, maar daartussen heerst chaos."

"Stel je de gigantische moleculaire wolken voor als megasteden met gelijke afstanden, verbonden door snelwegen, " zegt Henshaw. "Vanuit een vogelperspectief, de structuur van deze steden, en de auto's en mensen die er doorheen rijden, ziet er chaotisch en ongeordend uit. Echter, wanneer we inzoomen op individuele wegen, we zien mensen die van heinde en verre zijn gereisd hun individuele kantoorpanden ordelijk binnenkomen. De kantoorgebouwen vertegenwoordigen de dichte en koude gaskernen waaruit sterren en planeten worden geboren."