Sterren met een hoge massa, die acht of meer keer de massa van onze zon zijn, leef hard en sterf jong. Ze eindigen hun korte leven vaak in gewelddadige explosies die supernova's worden genoemd, maar hun geboorten zijn veel meer een mysterie. Ze vormen in zeer dichte, koude wolken van gas en stof, maar er is weinig bekend over deze regio's. in 2021, kort na de lancering van NASA's James Webb Space Telescope, wetenschappers zijn van plan om drie van deze wolken te bestuderen om hun structuur te begrijpen.

"Wat we proberen te doen is kijken naar de geboorteplaatsen van massieve sterren, " legde Erick Young uit, hoofdonderzoeker van een programma dat Webb zal gebruiken om dit fenomeen te bestuderen. Hij is astronoom bij de Universities Space Research Association in Columbia, Maryland. "Het bepalen van de werkelijke structuur van de wolken is erg belangrijk om het stervormingsproces te begrijpen, " hij zei.

Deze koude wolken, die tot 100, 000 keer de massa van de zon - zijn zo dicht dat ze zo groot lijken, donkere vlekken aan de hemel. Hoewel ze verstoken lijken van sterren, de wolken verduisteren eigenlijk gewoon het licht van achtergrondsterren. Deze donkere vlekken zijn zo dik van het stof dat ze zelfs sommige golflengten van infrarood licht blokkeren. een soort licht dat onzichtbaar is voor het menselijk oog en meestal door stoffige wolken kan dringen. Daarom worden ze 'infrarood-donkere wolken' genoemd. Echter, de ongekende gevoeligheid van Webb maakt observaties van achtergrondsterren mogelijk, zelfs door deze zeer dichte gebieden.

Geboorteomgevingen en koekjesdeeg

Om te begrijpen hoe massieve sterren ontstaan, je moet de omgeving begrijpen waarin ze zich vormen. Maar een van de dingen die het bestuderen van massieve stervorming zo moeilijk maakt, is dat zodra een ster aangaat, het straalt intens ultraviolet licht en sterke en krachtige winden uit.

"Deze krachten vernietigen de geboorteomgeving waarin de ster is gemaakt, ", legt infrarood-donkerwolkexpert Cara Battersby uit, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Connecticut. "De omgeving waar je naar kijkt nadat deze gevormd is, is totaal anders dan de omgeving die in de eerste plaats bevorderlijk was voor de vorming ervan. En aangezien we weten dat infrarood-donkere wolken plaatsen zijn waar massieve sterren kunnen worden gevormd, als we naar hun structuur kijken voordat sterren zijn gevormd of net zijn begonnen te vormen, we kunnen bestuderen welke omgeving nodig is om die massieve sterren te vormen."

Battersby vergelijkt het proces met het bakken van koekjes:zodra je ze bakt, ze zijn totaal anders dan het deeg zelf. Als je nog nooit deeg hebt gezien, je hebt misschien geen goed idee van hoe dat bakproces eruit zou zien. De infrarood-donkere wolken zijn als het rauwe deeg voordat je het bakt. Het bestuderen van deze wolken is vergelijkbaar met de kans krijgen om naar het koekjesdeeg te kijken, kijken wat erin gaat, en leren wat de consistentie ervan is.

Het belang van massieve sterren

Het begrijpen van massieve sterren en hun omgeving is om verschillende redenen belangrijk. Eerst, in hun explosieve dood, ze geven veel elementen vrij die essentieel zijn voor het leven. Elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium - inclusief de bouwstenen van het leven op aarde - komen van binnenuit massieve sterren. Massieve sterren hebben een heelal getransformeerd dat bijna volledig uit waterstof bestond naar de rijken, complexe omgeving die in staat is om planeten en mensen voort te brengen.

Massieve sterren produceren ook enorme hoeveelheden energie. Zodra ze geboren zijn, ze geven licht, straling en winden die bellen kunnen creëren in het interstellaire medium, mogelijk leiden tot stervorming op verschillende locaties. Deze uitdijende bellen kunnen ook een gebied opbreken waar nieuwe sterren worden gevormd. Eindelijk, wanneer een massieve ster sterft in een spectaculaire explosie, het verandert voor altijd zijn omgeving.

de doelen

De studie zal Webb focussen op de volgende drie gebieden.

The Brick:Een van de donkerste infrarood-donkere wolken in onze melkweg, deze ruwweg steenvormige wolk bevindt zich in de buurt van het centrum van de melkweg, ongeveer 26, 000 lichtjaar van de aarde. Meer dan 100, 000 keer de massa van de zon, de Brick lijkt nog geen massieve sterren te vormen. Maar het heeft zoveel massa in zo'n klein gebied dat als het sterren vormt, zoals wetenschappers denken dat het zou moeten, het zou een van de meest massieve sterrenhopen in onze melkweg zijn, net als de clusters Arches en Quintuplet, ook in de buurt van het centrum van de melkweg.

The Snake:Met een naam geïnspireerd door zijn kronkelige vorm, deze extreem draadvormige wolk is ongeveer 12, 000 lichtjaar verwijderd met een totale massa van 100, 000 Zonnen. Verspreid langs de Slang zijn warm, dichte stofwolken, elk met ongeveer 1, 000 keer de massa van de zon in gas en stof. Deze wolken worden opgewarmd door jonge, massieve sterren die zich binnenin vormen. De slang kan een deel zijn van een veel langer filament dat een 'bot van de melkweg' is, " het traceren van de spiraalstructuur van de melkweg.

IRDC 18223:Gelegen omstreeks 11, 000 lichtjaar verwijderd, deze wolk maakt ook deel uit van een 'bot van de melkweg'. Het toont actieve, massieve stervorming aan de ene kant ervan, terwijl de andere kant volkomen stil en onverstoorbaar lijkt. Een luchtbel aan de actieve kant begint al het oorspronkelijke filament te vernietigen dat er eerder was. Hoewel de stille kant nog geen sterren is gaan vormen, het zal waarschijnlijk binnenkort.

De techniek

Om deze wolken te bestuderen, Young en zijn team zullen achtergrondsterren als sondes gebruiken. "Hoe meer sterren je hebt, hoe meer verschillende zichtlijnen, " zei Young. "Iedereen is als een kleine potloodstraal, en door de kleur van de ster te meten, je kunt inschatten hoeveel stof er in die bepaalde gezichtslijn zit."

De wetenschappers zullen kaarten maken - in feite, zeer diepe beelden — in vier verschillende infraroodgolflengten. Elke golflengte heeft een ander vermogen om de wolk binnen te dringen. "Als je naar een bepaalde ster kijkt en ziet dat die in werkelijkheid veel roder is dan je zou verwachten, dan kun je vermoeden dat het licht echt door wat stof is gegaan, en het stof heeft de kleur roder gemaakt dan de typische, onbevlekte ster, " zei Jong.

Door het verschil in kleur te observeren op basis van deze vier verschillende metingen in het nabij-infrarood, en dat te vergelijken met een model van verduistering en rood worden van stof, Young en zijn team kunnen het stof in die specifieke gezichtslijn meten. Webb zal hen in staat stellen om dat te doen voor duizenden en duizenden sterren die elke wolk doordringen, waardoor ze een schat aan datapunten krijgen. Aangezien de meeste sterren van een bepaald type qua helderheid en kleur op elkaar lijken, alle duidelijke verschillen die Webb kan waarnemen, zijn meestal te wijten aan de effecten van materiaal tussen ons en de sterren.

Alleen bij Webb

Dit werk kan alleen worden gedaan vanwege Webb's voortreffelijke gevoeligheid en uitstekende hoekresolutie. De gevoeligheid van Webb stelt wetenschappers in staat zwakkere sterren en een hogere dichtheid van achtergrondsterren te zien. Zijn hoekresolutie, het vermogen om kleine details van een object te onderscheiden, stelt astronomen in staat onderscheid te maken tussen afzonderlijke sterren.

Deze wetenschap wordt uitgevoerd als onderdeel van een Webb Guaranteed Time Observations (GTO)-programma. Dit programma is ontworpen om wetenschappers te belonen die hebben geholpen bij het ontwikkelen van de belangrijkste hardware- en softwarecomponenten of technische en interdisciplinaire kennis voor het observatorium. Young maakte deel uit van het oorspronkelijke instrumententeam dat Webb's Near Infrared Camera (NIRCam) -instrument bouwde.

De James Webb Space Telescope wordt 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners, ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.