En livlig stjärnkammare i den pittoreska Orionnebulosan kommer att bli föremål för studier för NASA:s rymdteleskop James Webb, planerad att lanseras 2021. Ett team ledd av Mark McCaughrean, Webb Interdisciplinary Scientist for Star Formation, kommer att undersöka ett inre område av nebulosan som kallas Trapeziumklustern. Denna klunga är hem för ett tusental unga stjärnor, allt trångt in i ett utrymme som bara är fyra ljusår tvärsöver – ungefär avståndet från vår sol till Alpha Centauri.

"Det är en plats där det finns många mycket unga stjärnor som är runt en miljon år gamla, " förklarade McCaughrean, som också är Europeiska rymdorganisationens Senior Advisor for Science and Exploration. "En miljon år kanske inte verkar särskilt ung, men om vårt solsystem vore en medelålders person, stjärnorna i denna klunga är bara bebisar, tre eller fyra dagar gammal. Så det händer alla möjliga intressanta saker med dem som vi inte ser i de äldre stjärnorna runt omkring oss idag. Vi är väldigt intresserade av att förstå hur stjärnor och deras planetsystem utvecklas i de allra tidigaste stadierna."

Varför Orionnebulosan? "Orion är det område för massiv stjärnbildning som ligger närmast solen, ", sa McCaughrean. "Det finns platser närmare solen som har ungar, lågmassa stjärnor, men det finns inga närmare som har både stora stjärnor och de allra minsta föremålen."

McCaughrean och hans team kommer att studera tre intressanta fenomen i Trapezium Cluster. Först, de kommer att undersöka fördelningen av massorna av unga föremål i detta kluster. Nästa, de kommer att undersöka de allra tidigaste faserna av planetbildningen runt klustrets unga stjärnor. Till sist, teamet kommer att studera materialet som många av de unga stjärnorna skjuter ut i jetstrålar och utflöden. Observationerna är en del av ett Guaranteed Time Observations (GTO)-program som beviljats ​​McCaughrean på grund av hans roll som Webb Interdisciplinary Scientist.

Sortera stjärnorna och andra unga föremål

Förutom att undersöka klustrets unga stjärnor, forskarna kommer att titta på kroppar med massor under stjärnor, kallas bruna dvärgar. Dessa är föremål som bildas som stjärnor genom gravitationskollaps av gas- och stoftmoln, men eftersom de inte har tillräckligt med material, de utvecklar aldrig de temperaturer och det tryck i deras centra som behövs för att smälta väte.

De kommer också att undersöka mindre föremål, likvärdig i massa med Jupiter eller till och med Saturnus. Kallas "fritt flytande, objekt med planetmassa, " de är inte i omloppsbana runt en stjärna. Det är en öppen fråga om de bildar sig på det sätt som andra planeter gör - genom att samla gas och damm från en protoplanetarisk skiva som blivit över från stjärnbildningen.

Formades ett sådant objekt ursprungligen som en planet runt en stjärna, eller bildades den av samma gas och stoft som stjärnorna bildades av, på egen hand? McCaughrean och hans team försöker svara på den frågan. "Kan vi hitta någon form av egenskaper som dessa extremt låga föremål uppvisar för att hjälpa oss att ta reda på om de bildades isolerat, eller snarare formades faktiskt som planeter i omloppsbana runt stjärnor, och blev utsparkad i någon form av interaktion?"

Forskarna kommer att använda flerfärgade Webb-bilder för att hitta objekt ner till mycket låga massor och sedan titta på hur många av dessa objekt det finns i olika masskategorier – till exempel, hur många är som solen; hur många är en tiondel av solens massa; och hur många är en hundradel av solens massa. De kommer också att använda Webb för att analysera sina atmosfärer. Denna information kommer att berätta för forskarna mycket om hur dessa kroppar måste ha bildats och hur de kommer att utvecklas när de blir äldre.

Studerar silhuetterna

Några nyfödda stjärnor i denna barnkammare är omgivna av skivor av gas och damm som visas som silhuetter mot den ljusa nebulosan. Astronomer tror att planeter borde börja bildas inom dessa skivor. McCaughrean och hans team kommer att använda Webbs högupplösta, infraröd avbildning för att mäta storleken på dessa diskar. Genom att jämföra dem med synliga bilder gjorda med Hubble Space Telescope, teamet kommer att lära sig om dammets sammansättning, som kommer att hjälpa dem att förstå de allra tidigaste faserna av planetbildning.

Mätning av strålarna och utflödena

När unga stjärnor samlar ihop material från gasen och stoftet som omger dem, de flesta kastar också ut en bråkdel av det materialet tillbaka ut igen från sina polära områden i jetstrålar och utflöden. Denna process är en integrerad del av stjärnbildningen. Eftersom Orionnebulosan är hem för många, många unga stjärnor, det finns många jetplan och utflöden i regionen, både stora och små. Teamet kommer att använda Webb för att mäta de fina strukturerna i dessa utflöden och bestämma deras hastigheter, samt bedöma deras kumulativa feedback på de omgivande stjärnbildande molnen.

Varför Webb?

När stjärnorna är väldigt unga, de är omgivna av gasen och damm som de tillverkas av. Dammet absorberar synligt våglängdsljus och döljer stjärnorna bakom en ogenomskinlig skärm. Men långvågigt ljus kan penetrera dammet, och därför även om astronomer inte kan se stjärnorna i synligt ljus, de är ofta fortfarande detekterbara i infraröd.

Också, när föremål är unga och fortfarande bildas, de blir inte speciellt varma. Detta betyder att de inte lyser starkt i synliga våglängder, utan avger istället det mesta av sitt ljus i det infraröda. Infraröda studier med markbaserade teleskop har visat att det finns många bruna dvärgar i trapetsklustret, men de har inte kunnat hitta unga föremål under massan av omkring tre Jupiters. Det finns två skäl till det.

Först, jordens atmosfär mellan marken och de föremål som studeras lyser starkt i infrarött. "På ett sätt, det är lite som att försöka göra synlig våglängdsastronomi på dagtid, " förklarade McCaughrean. "Du kan se relativt ljusa saker mot den glöden, men du kan inte se särskilt svaga saker. Webb kommer att vara ovanför jordens glödande atmosfär och göra det möjligt."

Det andra skälet är att till skillnad från markbaserade teleskop, Webb själv kommer att vara väldigt kall. "Människor är varma och lyser i infrarött, markbaserade teleskop lyser också i infrarött, " sa McCaughrean. "Så, när du kommer till dessa coola, föremål med tre Jupitermassa, nästan allt ljus kommer ut på ganska långa våglängder där själva teleskopet lyser väldigt starkt. I rymden, du kan kyla ner ett teleskop till en punkt där det inte lyser alls i de våglängderna. Och det betyder att du helt plötsligt borde kunna se alla dessa nya, mycket svag, extremt låga unga föremål, saker du aldrig kommer att se från marken."

Webb, en kraftfull, infrarött rymdteleskop, kommer därför att vara unikt kapabel att studera dessa unga stjärnor, bruna dvärgar, och fritt svävande objekt med planetmassa, såväl som deras protoplanetära skivor, jets, och utflöden, i regioner som Orionnebulosan.

Rymdteleskopet James Webb kommer att vara världens främsta rymdforskningsobservatorium när det lanseras 2021. Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.