Met behulp van gedetailleerde waarnemingen zijn astronomen erin geslaagd een eerste representatieve glimp op te vangen van de talrijke jonge sterren in de centrale regio's van ons eigen melkwegstelsel. De waarnemingen leveren bewijs voor stervorming in het galactische centrum, die begon in de buurt van het centrum en vervolgens naar buiten werkte. Dit bevestigt een manier van stervorming die eerder was gevonden in de centra van andere, verre sterrenstelsels. De resultaten laten ook zien dat de meeste sterren in dat gebied zich niet vormden in strak gebonden massieve clusters, maar in losse associaties waarvan de lidsterren al lang hun eigen weg zijn gegaan. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Astronomy .

Als het om sterren gaat, is het centrale deel van ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, aanzienlijk drukker dan in andere delen van ons sterrenstelsel. Astronomen hebben lang gehoopt dat dit hen een laboratorium zou opleveren voor het bestuderen van snelle stervorming - een fenomeen dat voorkomt in tal van andere sterrenstelsels, en in het bijzonder tijdens de vroegste miljarden jaren van de kosmische geschiedenis. Maar de drukte maakt sterren in het centrale gebied notoir moeilijk waar te nemen.

Nu, een nieuwe analyse op basis van een infraroodonderzoek met hoge resolutie, dat zojuist is gepubliceerd in Nature Astronomy , biedt een eerste representatieve reconstructie van de geschiedenis van stervorming in het centrale galactische gebied. Het laat ook zien dat de meeste jonge sterren in het galactische centrum niet in dicht opeengestrengelde massieve clusters zijn gevormd, maar in losse stellaire associaties, die zich in de afgelopen miljoenen jaren hebben verspreid.

Productieve en onproductieve sterrenstelsels

Onze Melkweg is geen erg productief sterrenstelsel. Alles bij elkaar genomen, bedragen de nieuwe sterren die ons thuisstelsel in een jaar vormt niet meer dan een paar zonnemassa's. Zogenaamde "star burst-sterrenstelsels" zijn veel effectiever:tijdens korte perioden die een paar miljoen jaar duren, produceren ze tientallen of zelfs honderden zonnemassa's aan sterren per jaar! Meer in het algemeen lijkt 10 miljard jaar geleden dat soort hoge vormingssnelheid, met tientallen zonnemassa's die elk jaar worden geproduceerd, de norm te zijn geweest onder sterrenstelsels.

Astronomen gebruiken de Melkweg routinematig om meer te weten te komen over de eigenschappen van sterrenstelsels in het algemeen. De Melkweg is immers het enige sterrenstelsel waar we een zijaanzicht van de ring hebben en processen en eigenschappen van dichtbij tot in detail kunnen bestuderen. Gezien de lage stervormingsefficiëntie van de Melkweg, zou je kunnen denken dat stervorming met een hoge productiviteit een gebied is waar dit recept - lokaal bestuderen wat er in verre sterrenstelsels gebeurt - niet werkt. Maar je zou het mis hebben:in de centrale regio's van de Melkweg, overeenkomend met de centrale 1300 lichtjaar rond het centrale zwarte gat van onze melkweg, waren de stervormingssnelheden in de afgelopen 100 miljoen jaar tien keer hoger dan gemiddeld. De kern van ons sterrenstelsel is net zo productief als een sterrenstelsel dat uitbarst, of als de hyperproductieve sterrenstelsels van 10 miljard jaar geleden.

De uitdagingen van het observeren van de galactische centrale regio's

Maar als we meer willen weten over stervorming met een hoge productiviteit vanuit de centrale regio's van onze melkweg, is er een uitdaging:deze regio's zijn notoir moeilijk te observeren. Om te beginnen, gezien vanaf de aarde, zijn ze verborgen achter grote hoeveelheden stof. Maar dat probleem is eenvoudig op te lossen:gebruik infrarood-, millimetergolf- of radiowaarnemingen. Op die golflengten zal het licht dwars door het stof gaan, waardoor we het galactische centrum kunnen zien. Dat is hoe de groepen van Andrea Ghez en van Reinhard Genzel hun Nobelprijswinnende observaties uitvoerden van sterren die rond het centrale zwarte gat van ons melkwegstelsel draaien (nabij-infrarood), en hoe de Event Horizon-samenwerking het eerste beeld produceerde van de schaduw van het centrale zwarte gat van ons melkwegstelsel. zwart gat (millimetergolven op 1,3 mm).

Met dat eerste probleem opgelost, komt het volgende:het galactische centrum is zo vol met sterren dat het moeilijk is om de ene ster van de volgende te onderscheiden. De uitzondering zijn bepaalde zeer heldere reuzensterren, die bijzonder lichtgevend zijn, zich onderscheiden van de massa en dus relatief gemakkelijk van de rest kunnen worden gescheiden. Dit probleem heeft astronomen jarenlang geprikkeld om de stervorming met hoge productiviteit in het galactische centrum te begrijpen. Dat er de afgelopen 1 tot 10 miljoen jaar zo'n stervorming heeft plaatsgevonden staat buiten kijf - de aanwezigheid van waterstofgas dat in zijn componenten is gesplitst (geïoniseerd) door ultraviolet licht van hete, jonge sterren, en de aanwezigheid van röntgenstraling die kenmerkend is voor bepaalde soorten jonge, zeer massieve sterren, getuigt daarvan.

Maar met het crowding-probleem, de vraag "... dus waar zijn de resulterende jonge sterren dan?" was moeilijk te beantwoorden. Vóór de nieuwe analyse die hier wordt beschreven, hadden astronomen slechts ongeveer 10% van de verwachte totale stellaire massa in het galactische centrum gevonden - in twee massieve sterclusters en in de vorm van een paar geïsoleerde jonge sterren. Dus waar waren alle andere sterren en wat waren hun eigenschappen?

Een geweldige telling uit een gedetailleerd onderzoek

Dat was de vraag die de auteurs van het nieuw gepubliceerde artikel zich stelden. Francisco Nogueras-Lara, een onafhankelijke Humboldt-onderzoeker in de Lise Meitner-groep van Nadine Neumayer aan het Max Planck Institute for Astronomy, en hun collega Rainer Schödel van het Instituto de Astrofísica de Andalucía in Granada, Spanje, bevonden zich in een unieke positie om te gaan over het vinden van de ontbrekende jonge sterren in het galactische centrum:Schödel is de hoofdonderzoeker (PI) van GALACTICNUCLEUS:een onderzoek waarbij gebruik werd gemaakt van de HAWK-I infraroodcamera van de Very Large Telescope (VLT) van de European Southern Observatory om bijna 150 foto's (in de infraroodbanden J, H en Ks) van het centrale gebied van de Melkweg, met een totale oppervlakte van 64.000 vierkante lichtjaar rond het galactische centrum.

Nogueras-Lara nam de leiding in de zoektocht. Om individuele sterren in een dichtbevolkt gebied te kunnen identificeren, is resolutie nodig:het vermogen om kleine details in de lucht te onderscheiden. De VLT bestaat uit telescopen met spiegels van 8 meter lang. Met een methode die bekend staat als holografische beeldvorming - waarbij verschillende korte-belichtingsbeelden op een geschikte manier worden gecombineerd om de vervagingseffecten van de aardatmosfeer te verminderen - slaagde het onderzoek erin om het doelgebied in veel fijner detail dan ooit tevoren in kaart te brengen (met een resolutie van 0,2 boogseconden ). Waar voorheen slechts een handvol sterren in kaart waren gebracht, leverde GALACTICNUCLEUS individuele gegevens voor 3 miljoen.

3 miljoen individuele sterren in het galactische centrum in kaart brengen

Toen de onderzoekers naar de (valse-kleuren)afbeeldingen van de GALACTICNUCLEUS-enquête keken, zagen ze meteen dat de regio in het galactische centrum dat bekend staat als Sagittarius B1 anders was. Het bevat aanzienlijk meer jonge sterren, die het omringende gas ioniseren, dan andere regio's - een effect dat niet als een verrassing kwam:eerdere waarnemingen, met name van licht dat kenmerkend is voor waterstofgas dat wordt geïoniseerd door hete sterren, hadden dit aangetoond. Met de zeer opgeloste GALACTICNUCLEUS-waarnemingen waren Nogueras-Lara en zijn collega's nu voor het eerst in staat om de sterren in de regio in detail te bestuderen.

Zelfs met hun onderzoek met hoge resolutie konden astronomen reuzensterren alleen afzonderlijk bestuderen (geen zogenaamde hoofdreekssterren zoals onze zon), maar de gegevens van de 3 miljoen sterren die ze afzonderlijk konden bestuderen, bevatten al een schat aan informatie. In het bijzonder waren de astronomen in staat om de helderheid van elke ster af te leiden, ter compensatie van dimmen als gevolg van stof tussen ons en een bepaalde ster. Alle sterren in Boogschutter B1 bevinden zich op ongeveer dezelfde afstand van de aarde en de afstand van de aarde tot het galactische centrum is bekend; met die informatie konden de astronomen de helderheid van elke ster reconstrueren - de intrinsieke helderheid, overeenkomend met de hoeveelheid licht die een ster per tijdseenheid uitstraalt.

Reconstructie van de geschiedenis van stervorming in het galactische centrum

Bijzonder interessant was de statistische verdeling van stellaire helderheid voor die sterren - hoeveel sterren er in elke "helderheidsbeugel" waren. Voor sterren die tegelijkertijd worden gevormd, verandert die lichtsterkteverdeling in de loop van de tijd op een regelmatige en voorspelbare manier. Op zijn beurt is het, gegeven een dergelijke verdeling, mogelijk om op zijn minst een ruwe geschiedenis van stervorming af te leiden:hoeveel sterren zijn er meer dan ongeveer 7 miljard jaar geleden gevormd? Hoeveel in de tussenliggende schijf tussen ongeveer 2 en ongeveer 7 miljard jaar? Hoeveel recenter? De helderheidsverdeling levert op zijn minst een statistisch antwoord op:de meest waarschijnlijke geschiedenis van stervorming.

Toen Nogueras-Lara, Neumayer en Schödel hun lichtsterkteverdeling analyseerden, ontdekten ze dat er inderdaad verschillende fasen van stervorming in Boogschutter B1 waren geweest:een oudere populatie die zich tussen 2 en 7 miljard jaar geleden vormde, en een grote populatie van veel jongere sterren , slechts 10 miljoen jaar oud of zelfs jonger dan dat. Nogueras-Lara zegt:"Onze studie is een grote stap voorwaarts in het vinden van de jonge sterren in het galactische centrum. De jonge sterren die we hebben gevonden hebben een totale massa van meer dan 400.000 zonsmassa's. Dat is bijna tien keer hoger dan de gecombineerde massa van de twee massieve sterrenhopen die voorheen bekend waren in het centrale gebied."

Sterren bouwen in het centrumgebied, binnenstebuiten

Interessant is dat de sterren die de onderzoekers in Boogschutter B1 vonden verspreid zijn en geen deel uitmaken van een enorme cluster. Dat suggereert dat ze werden geboren in een of meer lossere stellaire associaties, minder strak gebonden door de onderlinge zwaartekracht van de sterren, die vervolgens snel oploste terwijl ze op schalen van enkele miljoenen jaren rond het galactische centrum cirkelden - en veel afzonderlijke sterren achterlieten. En hoewel dit resultaat om te beginnen verwijst naar Boogschutter B1, zou het ook veel algemener kunnen verklaren waarom de jonge sterren in het galactische centrum alleen kunnen worden gevonden door onderzoeken met een hoge resolutie, zoals het huidige werk:ze werden geboren in losse associaties die sindsdien verspreid in afzonderlijke sterren.

Interessant is ook de aanwezigheid van de oudere populatie sterren in Boogschutter B1. In de binnenste regionen van het galactische centrum zijn er sterren ouder dan 7 miljard jaar, maar vrijwel geen sterren in het tussenliggende leeftijdsbereik van 2 tot 7 miljard jaar. Dit zou erop kunnen wijzen dat de stervorming in het centrale gebied in het binnenste gebied begon en zich vervolgens naar de buitenste gebieden verspreidde, wat een algemene trend geeft voor de chronologie van de stervorming in die gebieden. Voor andere sterrenstelsels was dit inside-out-mechanisme om de zogenaamde nucleaire schijf te bouwen - een kleinschalige schijf gemaakt van sterren die het galactische centrum omringen - al waargenomen. De nieuwe resultaten geven aan dat hetzelfde gebeurt in het centrale gebied van ons eigen sterrenstelsel.

Volgende stappen

Hoe overtuigend het bewijs van de infraroodbeelden al is, zowel voor de reconstructie van de geschiedenis van stervorming als voor de inside-out algemene trend van stervorming, de astronomen staan ​​te popelen om hun conclusies op een nog steviger fundament te zetten. Daartoe zijn Nogueras-Lara en zijn collega's van plan hun waarnemingen op te volgen met het KMOS-instrument van de VLT, een zeer nauwkeurige spectrograaf. In de huidige studie werden de aftrekkingen gemaakt op basis van de algemene lichtsterkteverdeling. Spectrale waarnemingen zouden de astronomen in staat stellen enkele van de zeer jonge sterren direct te identificeren, aan de hand van het uiterlijk van hun spectra. Dat zou een belangrijke kruiscontrole zijn van de nu gepubliceerde resultaten.

Bovendien zullen de astronomen de bewegingen van de nieuw ontdekte sterren aan de hemel volgen ("proper motion"). In de buurt van het galactische centrum bewegen sterren relatief snel. Dat is de reden waarom, hoewel deze sterren zich op een afstand van ongeveer 26.000 lichtjaar van de aarde bevinden, grondige waarnemingen in de loop van een paar jaar hun positieveranderingen kunnen meten. Sterren die zich in één en dezelfde stellaire associatie hebben gevormd, worden in de loop van de tijd verspreid, hun beweging zal waarschijnlijk nog steeds erg op elkaar lijken - dus het volgen van eigenbeweging zou het mogelijk maken om af te leiden of de sterren in Boogschutter B1 inderdaad in een of meer losse associaties zijn geboren.

Tot slot zegt Nadine Neumayer:"Beide soorten metingen zullen hopelijk dienen om de resultaten van het nu gepubliceerde werk hopelijk te bevestigen, maar zeker te verfijnen. Tegelijkertijd zullen wij en onze collega's beginnen te onderzoeken wat de nieuwe inzichten in stervorming in het galactische centrum kan ons vertellen over stervorming met hoge productiviteit in andere sterrenstelsels." + Verder verkennen

Hubble fotografeert ongebruikelijk sterrenstelsel NGC 1156