Een internationaal team onder leiding van de afdeling Astrofysica-AIM Laboratorium van CEA-Irfu heeft zojuist nieuwe aanwijzingen gekregen over de oorsprong van de massaverdeling van sterren. het combineren van waarnemingsgegevens van de grote interferometer ALMA en de APEX-radiotelescoop van de European Austral Observatory (ESO) en de Herschel Space Observatory.

Met dank aan ALMA, hebben de onderzoekers ontdekt in de zogenaamde Kattenpootnevel, gelegen op ongeveer 5, 500 lichtjaar, de aanwezigheid van protostellaire dichte kernen die veel massiever zijn dan die waargenomen in de nabijheid van de zon. Onderzoekers hebben aangetoond dat er een nauw verband bestaat tussen de massaverdeling van interstellaire filamenten en de massaverdeling van sterren. De dichtheid - of massa per lengte-eenheid - van de ouderfilamenten is de cruciale parameter die de massa's van nieuw gevormde sterren regelt. Deze ontdekking biedt een belangrijke aanwijzing voor de oorsprong van stellaire massa's. Deze resultaten zijn gepubliceerd in drie artikelen van het tijdschrift Astronomie en astrofysica .

Het raadsel van stellaire massa's

Sterren zijn belangrijke bouwstenen van het heelal en het leven van een ster wordt bijna volledig bepaald door zijn oorspronkelijke massa. Maar, de oorsprong van de massaverdeling van sterren bij de geboorte - door astronomen de initiële massafunctie genoemd - is nog steeds een onopgelost probleem. Lange tijd werd gedacht dat sterren worden gevormd door het instorten van min of meer bolvormige interstellaire wolken. Maar vanaf 2009 het Herschel-ruimteobservatorium, observeren in het verre infrarood en submillimeter, heeft een fundamentele doorbraak mogelijk gemaakt door te onthullen dat sterren voornamelijk worden geboren in dichte filamenten van koud gas. Wanneer deze lange filamenten van gas, bij een temperatuur van amper ~ 10 K (10 graden boven het absolute nulpunt), een kritische dichtheidsdrempel bereiken van ongeveer 5 zonsmassa's per lichtjaar lengte, de massaconcentratie wordt voldoende om sterren te vormen.

Door interstellaire wolken in de buurt van de zon te observeren, de resultaten van de Herschel-satelliet hebben aangetoond dat stervormende filamenten allemaal ongeveer even breed zijn, bijna ~ 0,3 lichtjaar. In deze wolken, de karakteristieke massa van sterren gevormd door fragmentatie van filamenten is ongeveer ~ 0,3 zonsmassa.

Maar de gevoeligheid en resolutie van de Herschel-satellietbeelden waren onvoldoende om dit fragmentatieproces in verder weg gelegen wolken te bestuderen. Om beter te begrijpen hoe sterren die aanzienlijk zwaarder zijn dan onze zon zich kunnen vormen in interstellaire filamenten, hebben astronomen instrumenten moeten gebruiken met een hogere resolutie dan Herschel, zoals de ArTéMiS-camera op de APEX-radiotelescoop en de grote ALMA-interferometer, beide gelegen in de Atacama-woestijn in Chili.

Meer massieve sterren in dichtere filamenten?

Het ALMA-onderzoek richtte zich op een enorm stervormingsgebied dat bekend staat als NGC 6334, ook bekend als de Kattenpootnevel, ongeveer 5500 lichtjaar van de aarde verwijderd. Deze nevel was een van de eerste gebieden die door de ArTéMiS-camera werden "gefotografeerd" bij een golflengte van 350 m. De ArTéMiS-afbeelding onthulde dat de hoofdgloeidraad een breedte heeft van ongeveer 0,5 lichtjaar, zeer vergelijkbaar met die gemeten met Herschel voor filamenten in de zonneomgeving.

Onderzoekers van het AIM-laboratorium konden vervolgens een deel van het Cat's Paw-filament in kaart brengen met behulp van de ALMA-interferometer. Beurtelings, het ALMA-beeld toonde aan dat de structuur van de gloeidraad erg lijkt op die van gloeidraden in de buurt van de zon, gemaakt van met elkaar verweven "vezels" of vlechten en protostellaire condensaties. Maar deze protostellaire condensaties zijn hier een orde van grootte massiever. Het lijkt er dus op dat de interstellaire filamenten kwalitatief op een vergelijkbare manier fragmenteren, ongeacht hun dichtheid, maar dat de karakteristieke massa van protostellaire condensaties - en dus sterren - die het gevolg is van filamentfragmentatie toeneemt met de lineaire dichtheid van de filamenten.

Deze hechte relatie, voor het eerst gedemonstreerd, versterkt het idee dat stervorming in filamenten van dicht moleculair gas misschien een quasi-universeel proces is. Dergelijke filamenten vertegenwoordigen fundamentele "ophopende blokken" van stergeboorte en de filamentdichtheid (of massa per lengte-eenheid) lijkt de kritische parameter te zijn die uiteindelijk de massa's van de gevormde sterren bepaalt. De massaverdeling van sterren zou dus gedeeltelijk "overgeërfd" zijn van de verdeling van lineaire filamentdichtheid.

Maar het raadsel van stellaire massa's is nog niet volledig opgelost. Als resultaat van dit werk rijst een nieuwe vraag:wat is de oorsprong van de dichtheidsverdeling van stervormende filamenten? De onderzoekers vermoeden dat het magnetische veld en de organisatie van de veldlijnen in de filamenten hierbij een cruciale rol spelen. Het B-BOP-instrument, de polarimetrische imager van het SPICA-project (SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics) voor de cryogene infraroodruimtetelescoop die wordt voorgesteld als de M5-missie van de European Space Agency (ESA), zou het mogelijk moeten maken om deze hypothese in de toekomst te testen.