I tre år, Jenny Calahan ledde forskarstuderande vid University of Arizona (UA) i forskning för att hjälpa till att avslöja mysteriet om hur galaxens mest massiva stjärnor föds.

Den 23 juli, bara två månader efter att Calahan tog examen med en kandidatexamen i fysik och astronomi, det resulterande forskningsarbetet, "Söker efter inflöde mot massiva stjärnlösa klumpkandidater identifierade i Bolocam Galactic Plane Survey, "publicerades i The Astrofysisk tidskrift . Bland hennes medförfattare finns studenter som hjälpt till med undersökningen och forskningen.

"Det finns fortfarande en ganska öppen fråga inom astronomi när det gäller massiv stjärnbildning, " sa Calahan. "Hur bildas stjärnor som väger mer än åtta solmassor från moln av damm och gas?"

Astronomer förstår denna process för stjärnor lika stora som vår sol. Partiklar i moln lockas till varandra och börjar klumpa ihop sig. Tyngdkraften tar fäste och gaserna strömmar till mitten av molnet när det kollapsar. Under miljontals år, gasen sätts under så högt tryck att den börjar brinna, och stjärnan föds när kärnfusion äntligen börjar i kärnan av den komprimerade gasen.

Teorier om hur mycket gas och tid det tar att göra en stjärna som vår sol kan bevisas genom observationer, eftersom varje skede av en solliknande stjärnas liv – från kollapsen av gasmoln till en förstjärnans kärna till stjärnans expansion till en röd jätte och kollapsar till en vit dvärg – kan ses i hela galaxen.

Men astronomer har ännu inte förstått hur stjärnor mer än åtta gånger massan av vår sol bildas. Stjärnor av denna storlek exploderar till supernovor i slutet av sitt liv, lämnar efter sig svarta hål eller neutronstjärnor.

"Det finns några teorier om massiv stjärnbildning som fungerar i simuleringar, men vi har inte sett de där initiala förhållandena ute i det vilda universum, " sa Calahan.

En teori är bildandet av massiva kärnor, säger Yancy Shirley, docent vid UA:s institution för astronomi. De massiva kärnorna är täta samlingar av gas flera gånger större än stjärnan de skapar. För massiva stjärnor, kärnorna måste vara minst 30 gånger vår sols massa.

"Folk har problem med att hitta sådana föremål, "Sa Shirley.

Den andra teorin är att flera lågmassakärnor bildas i en gasklump. Lågmassakärnorna växer när de tävlar om material i klumpen, och slutligen, en av kärnorna växer tillräckligt stor för att bilda en massiv stjärna.

"Det här är debatten:vilken av dessa två bilder är mer korrekt, eller är det en kombination av de två? "sa Shirley.

Det första steget i att besvara frågan är att identifiera den tidigaste fasen av stjärnbildning, så Calahan, under inrådan av Shirley, gav sig ut för att hitta klumpar som visar tecken på kollapsande gasrörelse, kallas "inflöde".

Calahan valde 101 ämnen från en lista med mer än 2, 000 enorma, kalla och till synes stjärnlösa gasmoln som kallas stjärnlösa klumpkandidater, eller SCC. Även om astronomer har studerat SCC tidigare, många av dem fokuserade på de ljusaste och mest massiva föremålen. Calahans studie var unik genom att det var en blind undersökning.

Allt från några hundra gånger vår sols massa till några tusen solmassor, SCC:erna Calahan är ett representativt urval av alla gasmoln som har potential att bilda massiva stjärnor.

Med hjälp av Arizona Radio Observatorys 12-meters radioteleskop vid UA:s Steward Observatory på Kitt Peak, Calahan upptäckte och spårade radiovågor som sänds ut av molekylgasen oxometylium (HCO+), som avger en specifik radiovåglängd.

När Shirley och studenterna på grundnivå rekommenderar han att använda teleskopet för att identifiera föremål av särskilt intresse, som att kollapsa SCC, intresseklumparna studeras sedan vidare med ALMA, som kan titta djupare in i gasen och hitta stjärnor eller andra föremål som inte kan ses med 12-metersteleskopet.

Oxometylium, en av de mer rikliga jonmolekylerna i rymden, är en mycket reaktiv jon som inte skulle överleva i vår jords atmosfär. När oxometylium rör sig mot en observatör, våglängderna komprimeras; när gasen rör sig bort från en observatör, våglängderna sträcks ut.

Genom att analysera våglängderna, Calahan identifierade sex SCC som visade tecken på kollaps, tyder på att gaskollaps sker snabbt, står endast för 6% av bildandet av massiva stjärnor.

"En sida faller bort från oss och en sida faller mot oss, " sa Calahan.

Enkäter tar många dussintals timmar att genomföra. Calahan och Shirley tillbringade 19 helger under loppet av åtta månader för att studera SCC.

"Jag har nu sett varje del av denna forskning, " sa Calahan. "Jag måste vara med och ställa frågan, observera och göra datareduktionen."

Grupper av studenter reste med Calahan och Shirley till teleskopet, där de lärde sig astronomisk observation och dataanalys.

"Första gången vi gick upp, Jag lärde mig hur man använder teleskopet och jag lärde mig att analysera data, " sade Calahan. "Vid tredje gången, Jag skulle kunna lära andra elever. "

Shirley har fungerat som rådgivare till flera studenter som har publicerat forskningen de gjorde vid UA, men Calahan är den första studenten av hans vars papper godkändes innan examen.

"Jag tror inte att jag kunde ha gjort det här på något annat universitet, ", sade Calahan. "Vi har resurserna och fakulteten att lära oss hur man minskar verkliga data och observerar på ett verkligt teleskop. Det är verkligen unikt för den här institutionen."