Wetenschap
Onderzoekers brengen de Orionnevel in kaart als nooit tevoren
De vorming van sterren en planeten is een rommelige aangelegenheid. Het begint met de zwaartekrachtinstorting van een gigantische wolk van gas en stof, die tegelijkertijd massieve sterren voortbrengt, waarvan het intense stralingsveld een barre omgeving creëert, maar ook bescheidener sterren, zoals onze zon, omringd door een planeetvormende schijf die rijk aan organische materialen.
Astrofysici Els Peeters en Jan Cami van de Western University en postdoctorale en afgestudeerde onderzoekers Ryan Chown, Ameek Sidhu, Baria Khan, Sofia Pasquini en Bethany Schefter behoorden tot de eerste wetenschappers ter wereld die de James Webb-ruimtetelescoop (Webb) gebruikten voor wetenschappelijk onderzoek. en de focus lag op stervorming.
“Het proces van stervorming is rommelig omdat stervormingsgebieden sterren van verschillende massa’s bevatten die zich in verschillende stadia van hun ontwikkeling bevinden, terwijl ze nog steeds ingebed zijn in hun geboortewolk, en omdat er veel verschillende fysische en chemische processen een rol spelen die elkaar beïnvloeden”, zegt Peeters. , een hoofdonderzoeker van het PDRs4All JWST Early Release Science-programma (ID1288) en faculteitslid als onderdeel van Western's Institute for Earth and Space Exploration.
Stervorming is een zeer actief vakgebied, zowel in de theoretische als in de observationele astrofysica, en Webb is van cruciaal belang gebleken bij het verkrijgen van inzicht in deze processen.
"We begrijpen nog niet volledig hoe deze processen planeetvormende schijven vormgeven of vernietigen, noch wanneer en hoe deze schijven worden bezaaid met chemicaliën die belangrijk zijn voor het leven. Dit is waarom we doen wat we doen", zegt Cami, directeur van Western's Hume Cronyn Memorial Observatory en kernlid van PDRs4All.
Peeters leidt samen met Emilie Habart van de Universiteit van Paris-Saclay, Frankrijk en Olivier Berné van de Universiteit van Toulouse, Frankrijk het internationale PDRs4All-consortium. Het PDRs4All-consortium bestaat uit meer dan 120 onderzoekers over de hele wereld, waaronder astronomen, natuurkundigen en scheikundigen wier complementaire expertise hen in staat stelt volledig gebruik te maken van de goudmijn aan gegevens verkregen met Webb, de grootste en krachtigste telescoop die ooit in de ruimte is gelanceerd.
PDRs4All wees Webb naar de Orion Bar, diep in de beroemde Orionnevel, en verzamelde een schat aan beelden en spectroscopische gegevens. Het hoofddoel van het programma is het onthullen van de gedetailleerde fysische en chemische processen die relevant zijn voor de vorming van sterren en planeten.
Samen met hun internationale medewerkers hebben Peeters en Cami nu een serie van zes artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy &Astrophysics dat een overzicht geeft van hun werk tot nu toe en de eerste diepe duik in de kleinste details van wat er gaande is in de Orion Bar.
Is dit mijn beste kant?
Veel van de belangrijkste processen in de interstellaire ruimte vinden plaats in zogenaamde fotodissociatiegebieden (PDR's, vandaar de programmanaam PDRs4All) waar de fysica en chemie volledig worden bepaald door de interactie tussen UV-straling met gas en stof. De Orion Bar is de dichtstbijzijnde PDR bij Webb en biedt zijn meest bruikbare en fotogenieke kant om deze processen op kleine fysieke schaal te bestuderen.
"De gegevens zijn ongelooflijk en zullen de komende decennia als maatstaf dienen voor astrofysisch onderzoek", zegt Peeters. "Tot nu toe hebben we slechts een klein deel van de gegevens onderzocht, en dit heeft al geresulteerd in een aantal verrassende en belangrijke ontdekkingen."
In het afgelopen jaar heeft PDRs4All drie grote onderzoeken gepubliceerd in de tijdschriften Nature , Natuurastronomie en Wetenschap .
"Ik had het absolute genoegen om de verbazingwekkende Webb-afbeeldingen tot in detail te bestuderen", zegt Habart, die leiding gaf aan de eerste nieuwe studie die vandaag (14 mei) werd gepubliceerd in Astronomy &Astrophysics . "De beelden zijn zo ongelooflijk mooi en ingewikkeld; het is gemakkelijk te begrijpen waarom zoveel mensen in de wereld weggeblazen werden toen ze ze voor het eerst zagen."
Met een massa die 2000 keer groter is dan die van de zon en zichtbaar met het blote oog, is de Orionnevel het dichtstbijzijnde gebied waar massieve sterren worden gevormd en is daarom een van de meest onderzochte en gefotografeerde objecten in de Melkweg, en een van de favoriete objecten van het publiek. objecten aan de nachtelijke hemel.
De Webb-afbeeldingen zijn anders dan alle andere decors, adembenemend door de ongelooflijke details die ze onthullen, met allerlei filamenten en randen van verschillende vormen en kleuren, doorspekt met verschillende kleine planeetvormende schijven.
Binnen de Orionnevel bevindt zich de Orion Bar, een scherp, diagonaal, randachtig kenmerk van gas en stof. De Orion Bar is in wezen de rand van een astronomisch grote bel die is uitgehouwen door enkele van de massieve sterren die de nevel aandrijven.
"Dezelfde structurele details die deze beelden hun esthetische aantrekkingskracht geven, onthullen een ingewikkelder structuur dan we aanvankelijk dachten - waarbij gas en stof op de voor- en achtergrond de analyse een beetje moeilijker maken.
"Maar deze beelden zijn van zo'n kwaliteit dat we deze regio's goed kunnen scheiden en kunnen laten zien dat de rand van de Orion Bar erg steil is, als een enorme muur, zoals voorspeld door theorieën", aldus Habart.
Peeters, die ook een grote speler was in de nieuwe serie Astronomy &Astrophysics studies hebben bijna-IR-spectroscopische gegevens van de Orion Bar gebruikt om het onderzoek naar een geheel nieuw niveau te brengen.
"Deze beelden bevatten zulke ongelooflijke details dat we ze nog vele jaren zullen onderzoeken", zei ze.
Spectroscopische waarnemingen splitsen het licht op als functie van de kleur en onthullen veel scherpe pieken die vingerafdrukken zijn van diverse chemische verbindingen in het verzamelde infraroodlicht.
Een zorgvuldige analyse van deze vingerafdrukken stelt onderzoekers in staat de chemische samenstelling van de nevel te onderzoeken, maar er is nog veel meer:verschillende combinaties van deze vingerafdrukken kunnen worden gebruikt om de lokale temperatuur, dichtheid en sterkte van het stralingsveld te meten, en door deze te meten voor Met elke pixel maakte Peeters kaarten van hoe deze hoeveelheden in de Orion Bar veranderen.
"De spectroscopische dataset bestrijkt een veel kleiner deel van de hemel vergeleken met de afbeeldingen, maar bevat een ton meer informatie. Een foto zegt meer dan duizend woorden, maar wij astronomen zeggen maar half gekscherend dat een spectrum duizend afbeeldingen waard is, aldus Peeters, die maar liefst 600 spectroscopische vingerafdrukken heeft gemeten en deze heeft gebruikt om bestaande PDR-modellen sterk te verbeteren.
De resulterende gegevens en verbeterde PDR-modellen werden gepresenteerd in het tweede onderzoek in Astronomy &Astrophysics , waar Peeters leiding aan gaf.
“Wat de Orion Bar echt uniek maakt, is de ‘edge-on’-geometrie, waardoor we een zitplaats aan de ringzijde hebben waar we tot in de kleinste details de verschillende fysische en chemische processen kunnen bestuderen die plaatsvinden als we van het zeer blootgestelde, hard geïoniseerde gebied naar het veel meer afgeschermde gebieden waar zich moleculair gas kan vormen", aldus Cami.
"Dit artikel is een hoogstandje en het kostte een enorme inspanning om het te voltooien, en het is een sprong voorwaarts in ons begrip van hoe veranderingen in de fysieke omgeving de chemie beïnvloeden en vice versa."
Details in het stof laten
Nu de fysieke omstandigheden allemaal in kaart waren gebracht, richtte het PDRs4All-team zijn aandacht op een ander probleem:dat van de stofemissie. Eerdere waarnemingen hadden al een sterke variatie in de stofemissie in de Orion Bar aan het licht gebracht, maar de oorsprong van deze variaties was niet duidelijk en vormde een mysterie dat astrofysici lange tijd verbijsterde.
"De scherpe hyperspectrale Webb-gegevens bevatten zoveel meer informatie dan eerdere waarnemingen, dat ze duidelijk wezen op de verzwakking van straling door stof en de efficiënte vernietiging van de kleinste stofdeeltjes als de onderliggende oorzaak voor deze variaties", aldus het Institut d'Astrofysique. Ruimtelijk postdoctoraal onderzoeker Meriem Elyajouri.
Elyajouri modelleerde de stofemissie langs de verlichte rand van de Orion Bar en leidde een derde onderzoek waarin de bevindingen van het team werden beschreven.
De overige drie artikelen gaan allemaal over de uitstoot van grote koolstofhoudende moleculen, bekend als polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's), die een van de grootste reservoirs van koolstofhoudende materialen in het universum vertegenwoordigen. PAK's bevatten tot 20% van alle kosmische koolstof, wat ze relevant maakt voor onze eigen kosmische wortels.
"We bestuderen wat er gebeurt met koolstofhoudende moleculen lang voordat de koolstof in ons lichaam terechtkomt", zegt Cami.
De PAK-emissie is doorgaans zeer helder en PAK-moleculen zijn ongelooflijk stevig en veerkrachtig.
‘Het is dan ook niet verrassend dat ze wijdverspreid blijken te zijn in het heelal en zich over zulke enorme kosmologische afstanden verspreiden. Het in detail bestuderen ervan in nabijgelegen regio’s zoals de Orion Bar, waar we een goed begrip hebben van de lokale fysische en chemische omgeving, is een vereiste. daarom cruciaal voor het interpreteren van waarnemingen van verre sterrenstelsels”, zegt Sidhu, een voormalige westerse postdoctoraal onderzoeker.
Webb-gegevens tonen de PAK-emissiebanden tot in de kleinste details en laten zien dat de emissie-eigenschappen veranderen als gevolg van straling.
“Het is werkelijk een schande van de rijkdom”, aldus Peeters. "Hoewel men denkt dat deze grote moleculen erg stevig zijn, hebben we ontdekt dat UV-straling de algemene eigenschappen verandert van de moleculen die de emissie veroorzaken."
UV-straling breekt in feite enkele van de kleinere koolstofmoleculen af en verandert de manier waarop de grotere uitstralen.
"Je ziet daadwerkelijk veranderingen als je van deze zeer barre omgeving naar de meer afgeschermde omgevingen gaat", zegt de voormalige westerse postdoctoraal onderzoeker Ryan Chown, die het vierde onderzoek leidde.
Machine learning vermenigvuldigt zich
De resultaten van Chown zijn belangrijke nieuwe bevindingen, maar waren gebaseerd op de analyse van slechts vijf kleine regio's in de Orion Bar die representatief zijn voor de verschillende omgevingen in de Bar.
Sofia Pasquini, een masterstudent onder leiding van Peeters, gebruikte machine learning-technieken om de PAK-emissie te analyseren in de gehele dataset bestaande uit vele duizenden spectra. Ook zij ontdekte dat in gebieden met meer UV-straling de PAK’s doorgaans groter zijn, waarschijnlijk omdat de kleinere worden vernietigd. Dit is de basis van het vijfde onderzoek.
"De machine learning-technieken die Sofia gebruikte om gegevens uit duizenden pixels te interpreteren, leveren in wezen hetzelfde resultaat op dat we vonden bij het gebruik van de vijf representatieve regio's met behulp van meer traditionele methoden", zegt Peeters. "Dat geeft ons het grote vertrouwen dat onze interpretatie algemener geldig is en dus een krachtiger conclusie oplevert."
Het blijkt dat er meer is dan alleen veranderingen in de omvang van de PAK’s. Ilane Schroetter, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Toulouse, Frankrijk, paste ook machine learning-technieken toe op de gegevens. Zijn bevindingen, gepubliceerd in het zesde onderzoek, bevestigen het effect van UV-straling op de PAK-grootte, maar vonden ook zeer duidelijke veranderingen in de structuur van de moleculen.
"Deze artikelen onthullen een soort survival of the fittest op moleculair niveau in de zwaarste omgevingen in de ruimte", zegt Cami.
Webb is de krachtigste ruimtetelescoop in de menselijke geschiedenis. Het is ontwikkeld in samenwerking met NASA, de European Space Agency (ESA) en de Canadian Space Agency (CSA) en beschikt over een iconische spiegel van 6,5 meter breed, bestaande uit een honingraatachtig patroon van 18 zeshoekige, met goud beklede spiegelsegmenten en een vijflaags, ruitvormig zonnescherm ter grootte van een tennisbaan.
Als partner ontvangt CSA een gegarandeerd deel van de observatietijd van Webb, waardoor Canadese wetenschappers tot de eersten behoren die gegevens bestuderen die zijn verzameld door de meest geavanceerde ruimtetelescoop ooit gebouwd.