Ett internationellt team under ledning av Astrophysics Department-AIM Laboratory of CEA-Irfu har precis fått nya ledtrådar om ursprunget till stjärnmassdistribution, kombinerar observationsdata från den stora interferometern ALMA och APEX-radioteleskopet som drivs av European Austral Observatory (ESO) och Herschel Space Observatory.

Tack till ALMA, forskarna har upptäckt i den så kallade Cat's Paw Nebula, ligger vid ca 5, 500 ljusår, närvaron av protostellära täta kärnor som är mycket mer massiva än de som observerats i solens närhet. Forskare har visat att det finns ett nära samband mellan massfördelningen av interstellära filament och massfördelningen av stjärnor. Tätheten – eller massan per längdenhet – av moderfilamenten är den avgörande parametern som styr massorna av nybildade stjärnor. Denna upptäckt ger en viktig ledtråd till uppkomsten av stjärnmassor. Dessa resultat publiceras i tre artiklar i tidskriften Astronomi &Astrofysik .

Stjärnmassornas gåta

Stjärnor är stora byggstenar i universum och en stjärnas liv bestäms nästan helt av dess initiala massa. Men, ursprunget till massfördelningen av stjärnor vid födseln – kallad den initiala massfunktionen av astronomer – är fortfarande en olöst fråga. Man har länge trott att stjärnor bildas genom kollapsen av mer eller mindre sfäriska interstellära moln. Men från 2009, Herschel rymdobservatorium, observera i fjärran infraröd och submillimeter, har möjliggjort ett grundläggande genombrott genom att avslöja att stjärnor föds huvudsakligen i täta filament av kall gas. När dessa långa filament av gas, vid en temperatur på knappt ~ 10 K (10 grader över absolut noll), nå en kritisk densitetströskel på cirka 5 solmassor per ljusårs längd, masskoncentrationen blir tillräcklig för att bilda stjärnor.

Genom att observera interstellära moln i solområdet, resultaten av Herschel-satelliten har visat att stjärnbildande filament alla har ungefär samma bredd, nära ~0,3 ljusår. I dessa moln, den karakteristiska massan av stjärnor som bildas genom fragmentering av filament är ungefär ~ 0,3 solmassa.

Men känsligheten och upplösningen hos Herschel-satellitbilderna var otillräckliga för att studera denna fragmenteringsprocess i mer avlägsna moln. För att bättre förstå hur stjärnor som är betydligt mer massiva än vår sol kan bildas i interstellära filament, astronomer har varit tvungna att använda instrument med högre upplösningsförmåga än Herschel, som ArTéMiS-kameran på APEX-radioteleskopet och den stora ALMA-interferometern, båda ligger i Atacamaöknen i Chile.

Mer massiva stjärnor i tätare filament?

ALMA-studien fokuserade på en massiv stjärnbildande region känd som NGC 6334, även känd som Cat's Paw Nebula, ligger cirka 5500 ljusår från jorden. Denna nebulosa var en av de första regionerna som "fotograferades" av ArTéMiS-kameran som observerade vid våglängden 350 μm. ArTéMiS-bilden avslöjade att huvudtråden har en bredd på cirka 0,5 ljusår, mycket lik den som mäts med Herschel för filament i solområdet.

Forskare från AIM-laboratoriet kunde sedan kartlägga en del av Cat's Paw-filamentet med hjälp av ALMA-interferometern. I tur och ordning, ALMA-bilden visade att strukturen av glödtråden är mycket lik den för solenergitrådar, gjorda av sammanflätade "fibrer" eller flätor och protostellära kondensationer. Men dessa protostellära kondensationer är här en storleksordning mer massiva. Det verkar alltså som att de interstellära filamenten fragmenteras kvalitativt på ett mycket liknande sätt, oavsett deras täthet, men att den karakteristiska massan av protostellära kondensationer – och därmed stjärnor – som är resultatet av filamentfragmentering ökar med filamentens linjära täthet.

Denna nära relation, demonstrerade för första gången, förstärker tanken att stjärnbildning i filament av tät molekylär gas kanske är en nästan universell process. Sådana filament representerar grundläggande "uppbyggnadsblock" för stjärnfödelse och filamentdensiteten (eller massan per längdenhet) verkar vara den kritiska parametern som slutligen avgör massan av de bildade stjärnorna. Massfördelningen av stjärnor skulle alltså delvis "ärvas" från fördelningen av linjärtätheter för trådar.

Men gåtan med stjärnmassor är ännu inte helt löst. En ny fråga uppstår som ett resultat av detta arbete:vad är ursprunget till täthetsfördelningen av stjärnbildande filament? Forskarna misstänker att magnetfältet och organisationen av fältlinjerna inuti glödtrådarna spelar en avgörande roll här. B-BOP-instrumentet, den polarimetriska avbildaren för SPICA-projektet (SPace Infrared Telescope for Cosmology and Astrophysics) för det kryogena infraröda rymdteleskopet som föreslås som M5-uppdraget för Europeiska rymdorganisationen (ESA), bör göra det möjligt att testa denna hypotes i framtiden.