Undersöker himlen i nästan fyra år för att observera skenet av kallt kosmiskt stoft inbäddat i interstellära gasmoln, Herschel Space Observatory har gett astronomer en aldrig tidigare skådad inblick i vår galaxs stjärnors vaggor. Som ett resultat, gigantiska framsteg har tagits i vår förståelse av de fysiska processer som leder till födelsen av stjärnor och deras planetsystem.

"Vi är gjorda av stjärnprylar, "sa astronomen Carl Sagan berömt, som atomerna som gör oss – våra kroppar, våra hem, vår planet – kommer till stor del från tidigare generationer av stjärnor.

Verkligen, stjärnor och planeter föds ständigt i de tätaste och kallaste fickorna av molekylära moln, där de tar form av en blandning som till stor del består av gas men även innehåller små mängder damm inblandat.

Som en del av en kosmisk återvinningsprocess, stjärnor lämnar också tillbaka sitt återbearbetade material efter deras bortgång, berikar detta interstellära medium som genomsyrar alla galaxer, inklusive vår Vintergatan, med tunga grundämnen som produceras i deras kärnugnar och under de våldsamma explosioner som avslutar livet för de mest massiva stjärnorna.

Astronomer har länge varit medvetna om att stjärnor tar form när interstellärt material samlas och kondenserar, bryts sedan upp i fragment – ​​frön till framtida stjärnor – men många detaljer i denna komplexa process förblev oklara tills för inte så länge sedan.

Det som vände på steken i förståelsen av hur stjärnor föds var ESA:s Herschel Space Observatory, ett banbrytande uppdrag som lanserades 2009 och pågick fram till 2013.

Ett unikt observatorium

Att förstå universum vi lever i är en fascinerande strävan som skapats under tusentals år av oräkneliga hängivna tidiga tänkares oupphörliga arbete, filosofer, och på senare tid, av forskare. Denna kontinuerliga process präglas av stora upptäckter, ofta möjliggjort av uppkomsten av ny instrumentering som öppnar ytterligare ett fönster mot världen, förstärker eller utökar våra sinnen.

Att göra det möjligt för astronomer att observera längre och mer i detalj under de senaste fyra århundradena, teleskopet har varit nyckeln till att etablera vår fysiska förståelse av kosmos. Liknande, framstegen inom astronomiska detektorer – från det mänskliga ögat till fotografiska plattor, för ett par hundra år sedan, och till en mängd olika elektroniska enheter under det senaste århundradet – har varit lika revolutionerande för utvecklingen av dessa undersökningar.

Upptäckten av ljus vid andra våglängder än det synliga bandet, på artonhundratalet, och dess tillämpning på astronomi under den tjugonde, har främjat denna process, avslöjar helt nya klasser av kosmiska källor och fenomen, såväl som oväntade aspekter av kända sådana.

Ju kallare ett föremål är, ju längre våglängder av ljus det avger, så att observera himlen i de långt infraröda och submillimeters domänerna ger tillgång till några av de kallaste källorna i universum, inklusive kall gas och damm med temperaturer på 50 K och ännu lägre.

Med ett teleskop med en 3,5-meters primärspegel – den största någonsin att observera vid långa infraröda våglängder – och detektorer som kyls till strax över absoluta nollpunkten, Herschel kunde utföra observationer med oöverträffad känslighet och rumslig upplösning vid de våglängder som är avgörande för att fördjupa sig i härvan av stjärnbildande moln.

Detta gjorde Herschel mycket mer kapabel att kartlägga de direkta utsläppen från kallt damm än sina föregångare, som inkluderar den amerikansk-nederländska-brittiska infraröda astronomiska satelliten (IRAS), ESA:s infraröda rymdobservatorium (ISO), NASA:s Spitzer Space Telescope, och JAXAs Akari-satellit.

Damm är en mindre men avgörande komponent i det interstellära mediet som skymmer observationer vid optiska och nära-infraröda våglängder. Som sådan, det hade länge stått i vägen för astronomer att komma till botten av stjärnbildning, i vår Vintergatan såväl som i andra, mer avlägsna galaxer.

Herschel vände situationen totalt. Istället för att vara ett problem, dammet blev en viktig tillgång för astronomer:lysande starkt vid de långa våglängder som observatoriet undersökte, damm kan användas som spår av interstellär gas över galaxen och, viktigast, av dess tätaste regioner – molekylmolnen – där stjärnbildningen utspelar sig.

Dessutom, Herschel gav den unika möjligheten att observera, med oöverträffad spektral täckning och upplösning, ett stort antal linjer i spektra av gasmoln producerade av atomer och molekyler som är närvarande, om än i små mängder, i gasen. Tillsammans med observationen av damm, dessa atomära och molekylära linjer var avgörande för att spåra gasens egenskaper i ett stort antal stjärnbildande moln.

Flera av Herschels nyckelprogram ägnades åt att studera födelsen av stjärnor i molekylära moln, nära och fjärran, i vår galax.

Framträdande bland dem, Herschel Gould Belt Survey koncentrerade sig på områden nära hemmet, samlar exceptionellt detaljerade observationer av de närmaste stjärnbildande regionerna, som är belägna i moln som tillsammans bildar en jättering ut till 1500 ljusår från solen. Ett annat projekt, Herschels bildundersökning av OB Young Stellar-objekt, tittade specifikt på hur massiva stjärnor föds. Och slutligen, Herschel infrared Galactic Plane Survey genomförde en fullständig inventering av stjärnbarnkammare över Vintergatan genom att samla in en 360-graders bild av det galaktiska planet.

Enbart dessa tre observationsprogram spenderade över 1500 timmars observationer för att undersöka stjärnbildning.

Filament i massor

Den mest slående upptäckten som framkom från dessa omfattande undersökningar var ett stort och invecklat nätverk av trådformade strukturer som vävde sig igenom galaxen.

Att hitta filament i sig var inte en nyhet – liknande strukturer hade redan upptäckts under tidigare decennier – men deras allestädes närvarande närvaro var definitivt anmärkningsvärd.

Herschel var det första observatoriet som avslöjade filament nästan överallt i det interstellära mediet, från små, bara några ljusår långa, till jättetrådar som sträcker sig över hundratals ljusår.

Sådana strukturer sågs i alla typer av moln, även hos de som inte har någon pågående stjärnbildning. Astronomer undrade:varför producerar vissa filament stjärnor, medan andra inte gör det?

Mängden nya data avslöjade inte bara att filament är allestädes närvarande, men också att de verkar ha väldigt lika egenskaper, åtminstone i vårt närområde. Oavsett deras längd, alla filament som observeras i närliggande moln har en universell bredd – ungefär en tredjedel av ett ljusår.

Ursprunget till dessa interstellära filament och deras universella bredd är sannolikt kopplat till gasens turbulenta dynamik i interstellära moln. Faktiskt, bredden motsvarar den typiska skalan där gas genomgår övergången från överljud till subljudstillstånd, vilket tyder på att filament uppstår som ett resultat av överljudsturbulens i molnen.

Lågmassa stjärnbildning

Efter 2010, när de första studierna av Herschel-observationer publicerades, det blev tydligt att interstellära filament är avgörande element i stjärnbildningsprocessen.

Bevis från Herschel-observationer fortsatte att hopa sig under de följande åren.

Filament verkar föregå bildandet av stjärnor i vår galax och, i vissa fall, de underlättar det. Men bara filament som överskrider en lägsta densitetströskel verkar vara aktiva i produktionen av stjärnor.

Med hänsyn till den samlade bevisningen, astronomer utvecklade en ny modell för att förklara hur stjärnor med låg massa, som vår sol, är födda. I detta tvåstegsscenario, först uppstår ett nät av filament från turbulent, överljudsrörelser av gas i det interstellära materialet. Senare, men bara i de tätaste filamenten, gravitationen tar över:filament blir sedan instabila och splittras till klumpar som, i tur och ordning, börja dra ihop sig och så småningom skapa förstjärnor - fröna till framtida stjärnor.

Även om det är allestädes närvarande, filament representerar en liten del av den totala massan som utgör galaxens interstellära medium, och endast de tätaste av dem deltar i den mycket ineffektiva processen för stjärnbildning.

Även om täta trådliknande strukturer utom tvivel är de föredragna platserna för stjärnfödelse, Herschel observerade också några stjärnor som verkar bildas i områden där filament inte har identifierats.

Högmass stjärnbildning

Massiva stjärnor, överstiger flera gånger solens massa, är sällsynta men extremt ljusa och kraftfulla föremål som har en betydande inverkan på sin miljö. Deras bildning har varit en gåta som har undvikit förklaring i många decennier på grund av svårigheten att förena det enorma stråltrycket som uppstår när de tar form med det faktum att detta är tillräckligt för att sprida materialet och stoppa ackretionsprocessen helt.

På grund av de större massorna och energiuttaget, dessa stjärnor måste komma till liv under förhållanden som är helt annorlunda än de som finns i födelseplatserna för deras motsvarigheter med lägre massa. Som framgår av Herschels observationer, massiva stjärnor verkar bildas i närheten av gigantiska strukturer som åsar (massiva, högdensitetsfilament) och nav (sfäriska klumpar av materia) som kan uppstå i skärningspunkten mellan vanliga filament.

Med sina enorma reservoarer av gas och damm, åsar och nav kan ge det ihållande flödet av material som behövs för att stödja tillväxten av enorma stjärnembryon. I dessa extrema miljöer, även kallade "mini-stjärnskott", stjärnbildning kan nå mycket intensiva nivåer, så småningom ger upphov till stjärnhopar som i första hand är värd för massiva stjärnor.

Samtidigt som man lyfter fram de olika fenomen som leder till bildandet av stjärnor med hög och låg massa, Herschel har också fört dem samman inom en gemensam ram. Som en del av en kontinuerlig process som äger rum på alla skalor, det interstellära materialet rörs upp, komprimerad och innesluten i en mängd olika trådstrukturer, vars senare kollaps under gravitationen och efterföljande fragmentering ger upphov till en mångfald olika stjärnor.

Från nya svar till nya frågor

Inom mindre än ett decennium, astronomer som använder Herschels extraordinära data har visat hur det till synes komplexa fenomenet stjärnbildning kan förstås i termer av enkla och universella processer. Observationer av närliggande galaxer indikerar att liknande processer kan vara på gång även utanför vår Vintergatans gränser.

During its surveys of star-forming regions, Herschel has also observed many protoplanetary disks around very young stars, providing a glimpse into the raw material that will eventually build up these stars' planetary systems.

Dock, as new observations offer an answer to old questions, many new questions arise, some of which remain unanswered. Astronomers are still investigating a number of crucial aspects of star formation, such as the origin of filaments in molecular clouds, the dynamics of matter accretion, and the role of magnetic fields in the process.

To address some of these questions, in particular the formation of filaments, Herschel observations of various molecular clouds have been compared with measurements of the magnetic field in these clouds, obtained using ESA's Planck satellite and ground-based observatories, as well as with predictions of numerical simulations. The comparisons show that the magnetic fields tend to be perpendicular to the densest, star-forming filaments and parallel to lower-density filaments, known as striations, that flow into the denser ones, contributing to their growth.

Future studies and even more detailed observations will be needed to confirm and elucidate how magnetic fields do, as suggested, play a strong role in the process of star formation, contributing to deepening our understanding of this fascinating phenomenon.