Bijna vier jaar lang de lucht inspecteren om de gloed van koud kosmisch stof te observeren, ingebed in interstellaire gaswolken, de Herschel Space Observatory heeft astronomen een ongekende blik gegeven in de stellaire wieg van onze Melkweg. Als resultaat, Er zijn gigantische stappen gezet in ons begrip van de fysieke processen die leiden tot de geboorte van sterren en hun planetaire systemen.

"We zijn gemaakt van sterrenmateriaal, " de astronoom Carl Sagan zei beroemd:als de atomen die ons maken – onze lichamen, onze huizen, onze planeet – komen grotendeels van eerdere generaties sterren.

Inderdaad, sterren en planeten worden voortdurend geboren in de dichtste en koudste holtes van moleculaire wolken, waar ze vorm krijgen uit een mengsel dat grotendeels uit gas bestaat maar ook kleine hoeveelheden stof bevat.

Als onderdeel van een kosmisch recyclingproces, sterren geven ook hun herverwerkte materiaal terug na hun overlijden, het verrijken van dit interstellaire medium dat alle sterrenstelsels doordringt, inclusief onze Melkweg, met zware elementen geproduceerd in hun nucleaire ovens en tijdens de gewelddadige explosies die het leven van de meest massieve sterren beëindigen.

Astronomen weten al lang dat sterren vorm krijgen als interstellair materiaal samenkomt en condenseert, valt dan uiteen in fragmenten - de zaden van toekomstige sterren - maar veel details van dit complexe proces bleven tot niet zo lang geleden onduidelijk.

Wat de wereld veranderde in het begrijpen van hoe sterren worden geboren, was ESA's Herschel Space Observatory, een baanbrekende missie die in 2009 werd gelanceerd en tot 2013 duurde.

Een uniek observatorium

Het begrijpen van het universum waarin we leven is een fascinerend streven dat gedurende duizenden jaren is ontstaan ​​door het onophoudelijke werk van talloze toegewijde vroege denkers, filosofen, en meer recentelijk, door wetenschappers. Dit continue proces wordt onderbroken door belangrijke ontdekkingen, vaak mogelijk gemaakt door het ontstaan ​​van nieuwe instrumenten die een ander venster op de wereld openen, onze zintuigen te versterken of uit te breiden.

Door astronomen in staat te stellen de afgelopen vier eeuwen verder en gedetailleerder te observeren, de telescoop is de sleutel geweest tot het vaststellen van ons fysieke begrip van de kosmos. evenzo, de vooruitgang in astronomische detectoren - van het menselijk oog tot fotografische platen, een paar honderd jaar geleden, en op een grote verscheidenheid aan elektronische apparaten in de afgelopen eeuw - is net zo revolutionair geweest voor de ontwikkeling van deze onderzoeken.

De ontdekking van licht op andere golflengten dan de zichtbare band, in de negentiende eeuw, en de toepassing ervan op de astronomie in de twintigste, dit proces hebben bevorderd, het onthullen van geheel nieuwe klassen van kosmische bronnen en verschijnselen, evenals onverwachte aspecten van bekende.

Hoe koeler een object is, hoe langer de golflengten van het licht dat het uitzendt, dus het observeren van de lucht in het verre-infrarood en submillimeterdomeinen geeft toegang tot enkele van de koudste bronnen in het heelal, inclusief koel gas en stof met temperaturen van 50 K en zelfs minder.

Met een telescoop met een hoofdspiegel van 3,5 meter – de grootste die ooit is waargenomen op ver-infrarode golflengten – en detectoren die zijn afgekoeld tot net boven het absolute nulpunt, Herschel zou waarnemingen kunnen doen met een ongekende gevoeligheid en ruimtelijke resolutie op de golflengten die cruciaal zijn om in de wirwar van stervormende wolken te graven.

Dit maakte Herschel veel beter in staat om de directe emissie van koud stof in kaart te brengen dan zijn voorgangers, waaronder de Amerikaans-Nederlands-Britse Infrarood Astronomische Satelliet (IRAS), ESA's Infrared Space Observatory (ISO), NASA's Spitzer-ruimtetelescoop, en JAXA's Akari-satelliet.

Stof is een klein maar cruciaal onderdeel van het interstellaire medium dat waarnemingen op optische en nabij-infrarode golflengten verduistert. Als zodanig, het had astronomen lang in de weg gestaan ​​om tot op de bodem van stervorming te komen, zowel in onze Melkweg als in andere, verder weg gelegen sterrenstelsels.

Herschel draaide de situatie volledig om. In plaats van een probleem te zijn, het stof werd een cruciale aanwinst voor astronomen:helder schijnend op de lange golflengten die door het observatorium werden onderzocht, stof kan worden gebruikt als een tracer van interstellair gas in de Melkweg en, het belangrijkste, van de dichtste gebieden - de moleculaire wolken - waar stervorming zich ontvouwt.

In aanvulling, Herschel bood de unieke mogelijkheid om te observeren, met ongekende spectrale dekking en resolutie, een groot aantal lijnen in de spectra van gaswolken geproduceerd door aanwezige atomen en moleculen, zij het in kleine hoeveelheden, in het gas. Samen met de waarneming van stof, deze atomaire en moleculaire lijnen waren behulpzaam bij het opsporen van de eigenschappen van gas in een groot aantal stervormende wolken.

Verschillende van Herschels kernprogramma's waren gewijd aan het bestuderen van de geboorte van sterren in moleculaire wolken, dichtbij en veraf, in onze Melkweg.

Prominent onder hen, de Herschel Gould Belt Survey concentreerde zich op gebieden dicht bij huis, het verzamelen van uitzonderlijk gedetailleerde waarnemingen van de dichtstbijzijnde stervormingsgebieden, die zich in wolken bevinden en samen een gigantische ring vormen tot op 1500 lichtjaar van de zon. Een ander project, het Herschel-beeldvormingsonderzoek van OB Young Stellar-objecten, specifiek gekeken naar hoe massieve sterren worden geboren. En tenslotte, de Herschel infrarood Galactic Plane Survey voerde een volledige telling uit van stellaire kraamkamers in de Melkweg door een 360-graden beeld van het Galactische Vlak te verzamelen.

Deze drie observatieprogramma's alleen al besteedden meer dan 1500 uur aan observaties om stervorming te onderzoeken.

Filamenten in overvloed

De meest opvallende ontdekking die uit deze uitgebreide onderzoeken naar voren kwam, was een enorm en ingewikkeld netwerk van draadvormige structuren die zich een weg banen door de Melkweg.

Het vinden van filamenten was op zich geen noviteit - soortgelijke structuren waren al ontdekt in voorgaande decennia - maar hun alomtegenwoordige aanwezigheid was zeker opmerkelijk.

Herschel was het eerste observatorium dat bijna overal in het interstellaire medium filamenten onthulde, van kleintjes, slechts een paar lichtjaren lang, tot gigantische draden die zich over honderden lichtjaren uitstrekken.

Dergelijke structuren werden gezien in alle soorten wolken, ook in die zonder voortdurende stervorming. Astronomen vroegen zich af:waarom produceren sommige filamenten sterren, terwijl anderen dat niet doen?

De overvloed aan nieuwe gegevens onthulde niet alleen dat filamenten alomtegenwoordig zijn, maar ook dat ze zeer vergelijkbare eigenschappen lijken te hebben, in ieder geval in onze buurt. Ongeacht hun lengte, alle filamenten die in nabije wolken zijn waargenomen, hebben een universele breedte - ongeveer een derde van een lichtjaar.

De oorsprong van deze interstellaire filamenten en hun universele breedte houdt waarschijnlijk verband met de turbulente dynamiek van gas in interstellaire wolken. In feite, de breedte komt overeen met de typische schaal waarop gas de overgang ondergaat van supersonische naar subsonische toestand, wat suggereert dat filamenten ontstaan ​​​​als gevolg van supersonische turbulentie in de wolken.

Stervorming met een lage massa

na 2010, toen de eerste studies van Herschel-waarnemingen werden gepubliceerd, het werd duidelijk dat interstellaire filamenten cruciale elementen zijn in het proces van stervorming.

De bewijzen van Herschel-waarnemingen stapelden zich de volgende jaren op.

Filamenten lijken vooraf te gaan aan de vorming van sterren in onze Melkweg en, in sommige gevallen, ze vergemakkelijken het. Maar alleen filamenten die een minimale dichtheidsdrempel overschrijden, lijken actief te zijn bij de productie van sterren.

Rekening houdend met het verzamelde bewijsmateriaal, astronomen ontwikkelden een nieuw model om te verklaren hoe sterren met een lage massa, zoals onze zon, zijn geboren. In dit tweestapsscenario eerst ontstaat er een web van filamenten uit turbulente, supersonische bewegingen van gas in het interstellaire materiaal. Later, maar alleen in de dichtste filamenten, zwaartekracht neemt het over:filamenten worden dan onstabiel en fragmenteren in klonten die, beurtelings, beginnen te krimpen en uiteindelijk pre-stellaire kernen te creëren - de zaden van toekomstige sterren.

Zelfs als het alomtegenwoordig is, filamenten vertegenwoordigen een kleine fractie van de totale massa waaruit het interstellaire medium van de Melkweg bestaat, en alleen de dichtste van hen nemen deel aan het zeer inefficiënte proces van stervorming.

Hoewel dichte draadvormige structuren ongetwijfeld de voorkeurslocaties zijn voor stergeboorte, Herschel nam ook enkele sterren waar die zich lijken te vormen in gebieden waar geen filamenten zijn geïdentificeerd.

Stervorming met hoge massa

enorme sterren, die meerdere malen de massa van de zon overschrijdt, zijn zeldzame maar extreem heldere en krachtige objecten die een aanzienlijke impact hebben op hun omgeving. Hun vorming is een raadsel geweest dat decennialang geen verklaring heeft gekregen vanwege de moeilijkheid om de enorme stralingsdruk die ontstaat wanneer ze vorm krijgen te verzoenen met het feit dat dit voldoende is om het materiaal te verspreiden en het accretieproces volledig te stoppen.

Vanwege de grotere massa's en energie-outputs die ermee gemoeid zijn, deze sterren moeten tot leven komen in omstandigheden die heel anders zijn dan die in de geboorteplaatsen van hun tegenhangers met een lagere massa. Zoals blijkt uit de waarnemingen van Herschel, massieve sterren lijken zich te vormen in de buurt van gigantische structuren zoals richels (massieve, filamenten met hoge dichtheid) en hubs (bolvormige klonten materie) die kunnen ontstaan ​​op de kruising van gewone filamenten.

Met hun enorme reservoirs van gas en stof, ruggen en knooppunten kunnen zorgen voor de aanhoudende stroom van materiaal die nodig is om de groei van enorme stellaire embryo's te ondersteunen. In deze extreme omgevingen, ook wel 'mini-starbursts' genoemd, stervorming kan zeer intense niveaus bereiken, uiteindelijk leiden tot stellaire clusters die voornamelijk massieve sterren herbergen.

Terwijl we de verschillende verschijnselen benadrukken die leiden tot de vorming van sterren met een hoge en een lage massa, Herschel heeft ze ook samengebracht in een gemeenschappelijk kader. Als onderdeel van een continu proces dat op alle schalen plaatsvindt, het interstellaire materiaal wordt wakker, gecomprimeerd en opgesloten in een verscheidenheid aan draadvormige structuren, waarvan de latere ineenstorting onder de zwaartekracht en de daaropvolgende fragmentatie aanleiding geeft tot een veelvoud aan verschillende sterren.

Van nieuwe antwoorden tot nieuwe vragen

Binnen minder dan een decennium, astronomen die de buitengewone gegevens van Herschel gebruikten, hebben aangetoond hoe het schijnbaar complexe fenomeen van stervorming kan worden begrepen in termen van eenvoudige en universele processen. Waarnemingen van nabije sterrenstelsels geven aan dat soortgelijke processen zich ook buiten de grenzen van onze Melkweg kunnen voordoen.

Tijdens zijn onderzoeken van stervormingsgebieden, Herschel heeft ook veel protoplanetaire schijven rond zeer jonge sterren waargenomen, een glimp opvangen van de grondstof die uiteindelijk de planetenstelsels van deze sterren zal vormen.

Echter, omdat nieuwe waarnemingen een antwoord bieden op oude vragen, veel nieuwe vragen rijzen, some of which remain unanswered. Astronomers are still investigating a number of crucial aspects of star formation, such as the origin of filaments in molecular clouds, the dynamics of matter accretion, and the role of magnetic fields in the process.

To address some of these questions, in particular the formation of filaments, Herschel observations of various molecular clouds have been compared with measurements of the magnetic field in these clouds, obtained using ESA's Planck satellite and ground-based observatories, as well as with predictions of numerical simulations. The comparisons show that the magnetic fields tend to be perpendicular to the densest, star-forming filaments and parallel to lower-density filaments, known as striations, that flow into the denser ones, contributing to their growth.

Future studies and even more detailed observations will be needed to confirm and elucidate how magnetic fields do, as suggested, play a strong role in the process of star formation, contributing to deepening our understanding of this fascinating phenomenon.