Met behulp van het ALMA-observatorium in Chili, een groep astronomen onder leiding van MPIA's Henrik Beuther heeft de meest gedetailleerde waarneming tot nu toe gedaan van de manier waarop een gigantische gaswolk uiteenvalt in dichte kernen, die vervolgens fungeren als de geboorteplaatsen van sterren. De astronomen ontdekten dat de mechanismen voor fragmentatie vrij eenvoudig zijn, als gevolg van de combinatie van de druk en de zwaartekracht van de wolk. Meer complexe functies, zoals magnetische lijnen of turbulentie, een kleinere rol spelen dan eerder werd gedacht.

Sterren worden geboren wanneer gigantische wolken van gas en stof instorten. Telkens wanneer een van de instortende gebieden heet en dicht genoeg wordt om kernfusie in gang te zetten, een ster is geboren. Voor massieve sterren, dat wil zeggen die sterren die meer dan acht keer de massa van de zon vertonen, dat is maar een deel van de foto, Hoewel. De grootste sterren in het heelal worden niet afzonderlijk geboren. Ze worden geboren uit enorme wolken moleculair gas, die dan een cascade van fragmenten vormen, met veel van de fragmenten die geboorte geven aan een ster.

Astronomen hebben zich lang afgevraagd of deze fragmentatie-modus van het vormen van sterren andere fysieke mechanismen vereist dan voor sterren met een lagere massa. Voorstellen omvatten turbulente gasbeweging, die een regio zou kunnen destabiliseren en zou kunnen leiden tot een snellere ineenstorting, of magnetische velden die kunnen stabiliseren en zo de ineenstorting kunnen vertragen.

De verschillende mechanismen moeten veelbetekenende sporen achterlaten in regio's waar meerdere sterren worden gevormd. De ineenstorting die leidt tot de vorming van zware sterren vindt plaats op een hiërarchie van verschillende niveaus. Op de grootste schalen, stervorming omvat gigantische moleculaire wolken, die voor het grootste deel uit waterstofgas bestaan ​​en afmetingen van enkele tientallen tot meer dan honderd lichtjaar kunnen bereiken. Binnen die wolken zijn iets dichtere klonten, meestal een paar lichtjaren in doorsnede. Elke klomp bevat een of meer dichte kernen, minder dan een vijfde van een lichtjaar in diameter. Binnen elke kern, ineenstorting leidt tot de vorming van een enkele ster of meerdere sterren. Samen, de sterren die in de kernen van een enkele klomp worden geproduceerd, zullen een sterrenhoop vormen.

Verklikkerschalen van fragmentatie

De schaal van deze fragmentatie op meerdere niveaus hangt af van de betrokken mechanismen. Het eenvoudigste model kan worden opgeschreven met niet meer dan natuurkunde van de middelbare school:een ideaal gas heeft een druk die afhangt van zijn temperatuur en dichtheid. In een vereenvoudigde gaswolk, verondersteld een constante dichtheid te hebben, die druk moet overal sterk genoeg zijn om de zwaartekracht in evenwicht te brengen (gegeven door de zwaartekrachtwet van Newton) - zelfs in het midden van de wolk, waar de door gravitatie geïnduceerde druk van alle omringende materie het sterkst is. Schrijf deze voorwaarde op, en je zult zien dat zo'n wolk met constante dichtheid alleen een maximale grootte kan hebben. Als een wolk groter is dan dit maximum, die de Jeanslengte wordt genoemd, de wolk zal fragmenteren en instorten.

Wordt de versnippering van jonge massieve clusters echt gedomineerd door deze relatief eenvoudige processen? Het hoeft niet zo te zijn, en sommige astronomen hebben veel complexere scenario's geconstrueerd, waaronder de invloed van turbulente gasbeweging en magnetische veldlijnen. Deze aanvullende mechanismen veranderen de voorwaarden voor cloudstabiliteit, en verhogen typisch de schalen van de verschillende soorten fragmenten.

Verschillende voorspellingen voor cloudgroottes bieden een manier om het eenvoudige natuurkundige scenario te testen tegen zijn meer complexe concurrenten. Dat is wat Henrik Beuther en zijn collega's wilden doen toen ze het stervormingsgebied G351.77-0.54 in het zuidelijke sterrenbeeld Schorpioen (De Schorpioen) observeerden. Eerdere waarnemingen hadden uitgewezen dat in deze regio, fragmentatie kan op heterdaad worden betrapt. Maar geen van deze waarnemingen was krachtig genoeg geweest om de kleinste schaal aan te tonen die van belang was voor het beantwoorden van de vraag naar fragmentatieschalen:de protostellaire kernen, laat staan ​​hun onderbouw.

ALMA heeft de meest gedetailleerde look ooit

Beuther en zijn collega's konden meer. Ze gebruikten het ALMA-observatorium in de Atacama-woestijn in Chili. ALMA combineert de gelijktijdige waarnemingen van maximaal 66 radiotelescopen om een ​​resolutie van maximaal 20 milliboogseconden te bereiken, waarmee astronomen details kunnen onderscheiden die meer dan tien keer kleiner zijn dan met elke eerdere radiotelescoop, en met een ongeëvenaarde gevoeligheid - een combinatie die al heeft geleid tot een aantal baanbrekende waarnemingen, ook op andere gebieden.

Beuther en zijn collega's gebruikten ALMA om het stervormingsgebied met hoge massa G351.77-0.54 te bestuderen tot op subkernschalen kleiner dan 50 astronomische eenheden (met andere woorden, minder dan 50 keer de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon). Zoals Beuther zegt:"Dit is een uitstekend voorbeeld van hoe technologie astronomische vooruitgang stimuleert. We hadden onze resultaten niet kunnen behalen zonder de ongekende ruimtelijke resolutie en gevoeligheid van ALMA."

hun resultaten, samen met eerdere studies van dezelfde wolk op grotere schaal, geven aan dat de thermische gasfysica de dag wint, zelfs als het gaat om zeer massieve sterren:zowel de grootte van de klonten in de wolk als, zoals de nieuwe waarnemingen laten zien, van kernen binnen de klonten en zelfs van sommige kernsubstructuren zijn zoals voorspeld door Jeans-lengteberekeningen, zonder dat er extra ingrediënten nodig zijn. Beuther merkt op:"In ons geval dezelfde fysica geeft een uniforme beschrijving. Fragmentatie van de grootste tot de kleinste schalen lijkt te worden beheerst door dezelfde fysieke processen."

Kleine accretieschijven:een nieuwe uitdaging

Eenvoud is altijd een zegen voor wetenschappelijke beschrijvingen. Echter, dezelfde waarnemingen leverden ook een ontdekking op die astronomen scherp zal houden. Naast het bestuderen van fragmentatie, Beuther et al. was op zoek naar de structuur van ontluikende sterren ("protosterren") in de wolk. Astronomen verwachten dat zo'n protoster wordt omringd door een wervelende schijf van gas, de accretieschijf genoemd. Van de binnenste schijf van de velg, gas valt op de groeiende ster, zijn massa vergroten. In aanvulling, magnetische velden geproduceerd door de beweging van geïoniseerd gas en het gas zelf werken samen om strak gefocuste stromen te produceren die jets worden genoemd, die een deel van de materie de ruimte in schieten, loodrecht op die schijf. Submillimeterlicht uit die regio's draagt ​​verklikkers ("Doppler-verbreding van spectraallijnen") van de beweging van stof, die op zijn beurt de beweging van gas volgt. Maar waar Beuther en zijn medewerkers hadden gehoopt op een duidelijke handtekening van een accretieschijf, in plaats daarvan, hij vond vooral de handtekening van jets, het snijden van een relatief soepel pad door het omringende gas. klaarblijkelijk, de accretieschijven zijn zelfs kleiner dan astronomen hadden verwacht - een uitdaging voor toekomstige waarnemingen met een nog grotere ruimtelijke resolutie.