Astronomer vid Harvard University har upptäckt en monolitisk, vågformad gasstruktur – den största som någonsin setts i vår galax – som består av sammankopplade stjärnplantskolor. Döpt till "Radcliffe-vågen" för att hedra samarbetets hemmabas, Radcliffe Institute for Advanced Study, upptäckten förvandlar en 150 år gammal vision av närliggande stellar plantskolor som en expanderande ring till en med en böljande, stjärnbildande filament som når biljoner mil över och under den galaktiska skivan.

Arbetet, publiceras i Natur den 7 januari, möjliggjordes av en ny analys av data från Europeiska rymdorganisationens rymdfarkost Gaia, lanserades 2013 med uppdraget att exakt mäta positionen, distans, och stjärnornas rörelse. Forskargruppen kombinerade de superexakta data från Gaia med andra mätningar för att konstruera en detaljerad, 3-D karta över interstellär materia i Vintergatan, och märkte ett oväntat mönster i spiralarmen närmast jorden.

Forskarna upptäckte en lång, tunn struktur, ca 9, 000 ljusår långa och 400 ljusår breda, med en vågliknande form, 500 ljusår över och under mittplanet på vår galaxskiva. Vågen inkluderar många av de stellar plantskolor som tidigare troddes utgöra en del av "Gould's Belt", ett band av stjärnbildande regioner som tros vara orienterade runt solen i en ring.

"Ingen astronom förväntade sig att vi bor bredvid en jätte, vågliknande samling av gas - eller att den bildar Vintergatans lokala arm, sa Alyssa Goodman, Robert Wheeler Willson professor i tillämpad astronomi vid Harvard University, forskarassistent vid Smithsonian Institution, och meddirektör för Science Program vid Radcliffe Institute of Advanced Study. "Vi blev helt chockade när vi först insåg hur lång och rak Radcliffe-vågen är, tittar ner på den ovanifrån i 3D – men hur sinusformad den är när den ses från jorden. Själva vågens existens tvingar oss att ompröva vår förståelse av Vintergatans 3D-struktur."

"Gould och Herschel såg båda ljusa stjärnor bildas i en båge projicerad på himlen, så länge, människor har försökt ta reda på om dessa molekylära moln faktiskt bildar en ring i 3D, sa João Alves, professor i stjärnastrofysik vid universitetet i Wien och Radcliffe Fellow (2018-2019). "Istället, det vi har observerat är den största koherenta gasstrukturen vi känner till i galaxen, organiserad inte i en ring utan i en massiv, böljande filament. Solen ligger bara 500 ljusår från vågen på dess närmaste punkt. Det har varit mitt framför våra ögon hela tiden, men vi kunde inte se det förrän nu."

Den nya, 3D-karta visar vårt galaktiska grannskap i ett nytt ljus, ge forskarna en reviderad bild av Vintergatan och öppnar dörren till andra stora upptäckter.

"Vi vet inte vad som orsakar den här formen men det kan vara som en krusning i en damm, som om något utomordentligt massivt landade i vår galax, ", sa Alves. "Vad vi vet är att vår sol interagerar med denna struktur. Den passerade en festival av supernovor när den korsade Orion för 13 miljoner år sedan, och om ytterligare 13 miljoner år kommer den att korsa strukturen igen, ungefär som att vi "surfar på vågen".

En insiders syn på galaxen

Att lösa upp strukturer i det "dammiga" galaktiska grannskapet där vi sitter är en långvarig utmaning inom astronomi. I tidigare studier, forskargruppen av Douglas Finkbeiner, professor i astronomi och fysik vid Harvard, banade väg för avancerad statistisk teknik för att kartlägga 3D-fördelningen av damm med hjälp av omfattande undersökningar av stjärnors färger. Beväpnad med ny data från Gaia, Harvard-studenterna Catherine Zucker och Joshua Speagle utökade nyligen dessa tekniker, dramatiskt förbättra astronomers förmåga att mäta avstånd till stjärnbildande regioner. Det arbetet, ledd av Zucker, publiceras i Astrofysisk tidskrift .

"Vi misstänkte att det kunde finnas större strukturer som vi helt enkelt inte kunde sätta i sitt sammanhang. Så, att skapa en korrekt karta över vårt solområde, vi kombinerade observationer från rymdteleskop som Gaia med astrostatistik, datavisualisering, och numeriska simuleringar." förklarade Zucker, som är en NSF Graduate Fellow och Ph.D. kandidat vid Harvards Graduate School of Arts and Sciences baserad på Harvards avdelning för astronomi.

Zucker spelade en nyckelroll i att sammanställa den största någonsin katalogen över exakta avstånd till lokala stellar plantskolor - grunden för den 3-D-karta som användes i studien. Hon har satt upp som mål att måla en ny bild av Vintergatans galax, nära och fjärran. "Vi drog ihop det här teamet så att vi kunde gå längre än att bearbeta och ta upp data till att aktivt visualisera det – inte bara för oss själva utan för alla. Nu, vi kan bokstavligen se Vintergatan med nya ögon, " Hon sa.

"Att studera stjärnfödslar är komplicerat av ofullkomliga data. Vi riskerar att få detaljerna fel, för om du är förvirrad över avstånd, du är förvirrad över storleken." sa Finkbeiner.

Goodman höll med, "Alla stjärnorna i universum, inklusive vår sol, bildas i dynamisk, kollapsar, moln av gas och damm. Men att bestämma hur mycket massa molnen har, hur stora de är – har varit svårt, eftersom dessa egenskaper beror på hur långt bort molnet är."

Ett universum av data

Enligt Goodman, forskare har studerat täta moln av gas och damm mellan stjärnorna i över hundra år, zooma in på dessa regioner med allt högre upplösning. Före Gaia, det fanns inga betydande datauppsättningar som var tillräckligt expansiva för att avslöja galaxens struktur i stor skala. Sedan lanseringen 2013, rymdobservatoriet har möjliggjort mätningar av avstånden till en miljard stjärnor i Vintergatans galax.

Datafloden från Gaia fungerade som den perfekta testbädden för innovativa, nya statistiska metoder som avslöjar formen på lokala stjärnbarnkammare och deras koppling till Vintergatans galaktiska struktur. I detta datavetenskapsorienterade samarbete, Finkbeiner, Alves, och Goodman-grupperna samarbetade nära. Finkbeinergruppen utvecklade det statistiska ramverket som behövs för att sluta sig till 3D-fördelningen av dammmolnen; Alves-gruppen bidrog med djup expertis om stjärnor, stjärnbildning, och Gaia; och Goodman-gruppen utvecklade 3D-visualiseringar och analytiska ramverk, kallas "lim", som gjorde att Radcliffe Wave kunde ses, utforskade, och kvantitativt beskrivna.