Med hjälp av ALMA-observatoriet i Chile, en grupp astronomer ledda av MPIA:s Henrik Beuther har gjort den mest detaljerade observationen hittills av hur ett gigantiskt gasmoln splittras till täta kärnor, som sedan fungerar som födelseplatser för stjärnor. Astronomerna fann att mekanismerna för fragmentering är ganska enkla, ett resultat av kombinationen av molnets tryck och gravitation. Mer komplexa funktioner, såsom magnetiska linjer eller turbulens, spelar en mindre roll än man tidigare trott.

Stjärnor föds när gigantiska moln av gas och damm kollapsar. Närhelst ett av de kollapsande områdena blir tillräckligt varmt och tätt för att kärnfusion ska inträda, en stjärna är född. För massiva stjärnor, d.v.s. de stjärnor som uppvisar mer än åtta gånger solens massa, det är bara en del av bilden, fastän. De största stjärnorna i universum föds inte var för sig. De föds från massiva moln av molekylär gas, som sedan bildar en kaskad av fragment, med många av fragmenten som föder en stjärna.

Astronomer har länge undrat om detta fragmenteringssätt för att bilda stjärnor kräver andra fysiska mekanismer än för stjärnor med lägre massa. Förslagen inkluderar turbulent gasrörelse, som kan destabilisera en region och leda till snabbare kollaps, eller magnetfält som kan stabiliseras och därmed fördröja kollaps.

De olika mekanismerna bör lämna kontrollampa spår i regioner där flera stjärnor bildas. Kollapsen som leder till bildandet av stjärnor med hög massa sker på en hierarki av olika nivåer. På den största vågen, stjärnbildning involverar gigantiska molekylära moln, som mestadels består av vätgas och kan nå storlekar mellan några dussin och mer än hundra ljusår i diameter. Inom dessa moln finns något tätare klumpar, vanligtvis några ljusår i diameter. Varje klump innehåller en eller flera täta kärnor, mindre än en femtedel av ett ljusår i diameter. Inom varje kärna, kollaps leder till bildandet av antingen en enda stjärna eller flera stjärnor. Tillsammans, stjärnorna som produceras i kärnorna i en enda klump kommer att bilda en stjärnhop.

Beskrivande skalor av fragmentering

Omfattningen av denna fragmentering på flera nivåer beror på de inblandade mekanismerna. Den enklaste modellen kan inte skrivas ner med mer än gymnasiefysik:En idealgas har ett tryck som beror på dess temperatur och densitet. I ett förenklat gasmoln, antas ha konstant densitet, att trycket måste vara tillräckligt starkt överallt för att balansera tyngdkraften (given av Newtons tyngdlag) – även i mitten av molnet, där den inåtriktade gravitationsinducerade trycket av all omgivande materia är starkast. Skriv ner detta tillstånd, och du kommer att upptäcka att alla sådana moln med konstant densitet bara kan ha en maximal storlek. Om ett moln är större än detta maximum, som kallas jeanslängden, molnet kommer att splittras och kollapsa.

Domineras verkligen fragmenteringen av unga massiva kluster av dessa jämförelsevis enkla processer? Det behöver det inte vara, och vissa astronomer har konstruerat mycket mer komplexa scenarier, som inkluderar påverkan av turbulent gasrörelse och magnetfältslinjer. Dessa ytterligare mekanismer förändrar förutsättningarna för molnstabilitet, och ökar typiskt skalorna för de olika typerna av fragment.

Olika förutsägelser för molnstorlekar erbjuder ett sätt att testa det enkla fysikscenariot mot dess mer komplexa konkurrenter. Det var vad Henrik Beuther och hans kollegor ville göra när de observerade stjärnbildningsområdet G351.77-0.54 i den södra stjärnbilden Scorpius (Skorpionen). Tidigare observationer har visat att i denna region, splittring kunde fångas på bar gärning. Men ingen av dessa observationer hade varit tillräckligt kraftfull för att visa den minsta skalan av intresse för att svara på frågan om fragmenteringsskalor:de protostellära kärnorna, än mindre deras understruktur.

ALMA tar den mest detaljerade looken hittills

Beuther och hans kollegor kunde göra mer. De använde ALMA-observatoriet i Atacamaöknen i Chile. ALMA kombinerar de samtidiga observationerna av upp till 66 radioteleskop för att uppnå en upplösning på ner till 20 millibågsekunder, som gör det möjligt för astronomer att urskilja detaljer mer än tio gånger mindre än med något tidigare radioteleskop, och med oöverträffad känslighet – en kombination som redan har lett till ett antal genombrottsobservationer även inom andra områden.

Beuther och hans kollegor använde ALMA för att studera den högmassiga stjärnbildande regionen G351.77-0.54 ner till sub-core skalor mindre än 50 astronomiska enheter (med andra ord, mindre än 50 gånger det genomsnittliga avståndet mellan jorden och solen). Som Beuther säger:"Detta är ett utmärkt exempel på hur teknik driver astronomiska framsteg. Vi hade inte kunnat få våra resultat utan ALMAs oöverträffade rumsliga upplösning och känslighet."

Deras resultat, tillsammans med tidigare studier av samma moln i större skala, indikerar att termisk gasfysik vinner dagen, även när det gäller mycket massiva stjärnor:både storleken på klumpar i molnet och, som de nya observationerna visar, av kärnor i klumparna och även av vissa kärnunderstrukturer är som förutspåtts av jeanslängdsberäkningar, utan behov av ytterligare ingredienser. Beuther kommenterar:"I vårt fall, samma fysik ger en enhetlig beskrivning. Fragmentering från den största till den minsta skalan verkar styras av samma fysiska processer."

Små accretion diskar:en ny utmaning

Enkelhet är alltid en välsignelse för vetenskapliga beskrivningar. Dock, samma observationer gav också en upptäckt som kommer att hålla astronomer på tårna. Förutom att studera fragmentering, Beuther et al. hade letat efter att reda ut strukturen hos begynnande stjärnor ("protostjärnor") i molnet. Astronomer förväntar sig att en sådan protostjärna är omgiven av en virvlande skiva av gas, kallas accretion disk. Från den inre skivan på fälgen, gas faller på den växande stjärnan, öka sin massa. Dessutom, magnetiska fält som produceras av rörelsen av joniserad gas och själva gasen samverkar för att producera tätt fokuserade strömmar som kallas jets, som skjuter ut en del av materien i rymden vinkelrätt mot skivan. Submillimeterljus från dessa regioner bär kontrollampa ("Doppler-breddning av spektrallinjer") på dammets rörelse, som i sin tur spårar gasens rörelse. Men där Beuther och hans medarbetare hade hoppats på en tydlig signatur från en accretion-skiva, istället, han hittade främst signaturen av jetplan, skära en jämförelsevis jämn bana genom den omgivande gasen. Tydligen, ackretionsskivorna är ännu mindre än astronomerna hade förväntat sig – en utmaning för framtida observationer med ännu större rumslig upplösning.