Den molekylära gasen i galaxer är organiserad i en hierarki av strukturer. Det molekylära materialet i gigantiska molekylära gasmoln färdas längs intrikat nätverk av trådformade gasbanor mot de överbelastade centra av gas och damm där det komprimeras till stjärnor och planeter, ungefär som de miljontals människor som pendlar till städer för arbete runt om i världen.

För att bättre förstå denna process, ett team av astronomer ledda av Jonathan Henshaw vid Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) har mätt rörelsen hos gas som strömmar från galaxskalor ner till skalorna för de gasklumpar inom vilka enskilda stjärnor bildas. Deras resultat visar att gasen som strömmar genom varje skala är dynamiskt sammankopplad:medan stjärn- och planetbildning sker på de minsta skalorna, denna process styrs av en kaskad av materiaflöden som börjar på galaktiska skalor. Dessa resultat publiceras idag i den vetenskapliga tidskriften Natur astronomi .

Den molekylära gasen i galaxer sätts i rörelse av fysiska mekanismer som galaktisk rotation, supernovaexplosioner, magnetiska fält, turbulens, och gravitation, formar gasens struktur. Att förstå hur dessa rörelser direkt påverkar stjärn- och planetbildningen är svårt, eftersom det kräver kvantifiering av gasrörelse över ett stort område i rumslig skala, och sedan koppla denna rörelse till de fysiska strukturer vi observerar. Moderna astrofysiska anläggningar kartlägger nu rutinmässigt enorma områden på himlen, med vissa kartor som innehåller miljontals pixlar, var och en med hundratals till tusentals oberoende hastighetsmätningar. Som ett resultat, Att mäta dessa rörelser är både vetenskapligt och tekniskt utmanande.

För att möta dessa utmaningar, ett internationellt team av forskare ledda av Jonathan Henshaw vid MPIA i Heidelberg bestämde sig för att mäta gasrörelser i en mängd olika miljöer med hjälp av observationer av gasen i Vintergatan och en närliggande galax. De upptäcker dessa rörelser genom att mäta den skenbara förändringen i frekvensen av ljus som emitteras av molekyler som orsakas av den relativa rörelsen mellan ljuskällan och betraktaren; ett fenomen som kallas dopplereffekten. Genom att tillämpa ny programvara designad av Henshaw och Ph.D. student Manuel Riener (medförfattare på tidningen; även på MPIA), teamet kunde analysera miljontals mätningar. "Denna metod gjorde det möjligt för oss att visualisera det interstellära mediet på ett nytt sätt, säger Henshaw.

Forskarna fann att kalla molekylära gasrörelser verkar fluktuera i hastighet, påminner till utseendet om vågor på havets yta. Dessa fluktuationer representerar gasrörelse. "Fluktuationerna i sig var inte särskilt överraskande, vi vet att gasen rör sig, " säger Henshaw. Steve Longmore, medförfattare till tidningen, baserad på Liverpool John Moores University, lägger till, "Det som förvånade oss var hur lika hastighetsstrukturen i dessa olika regioner verkade. Det spelade ingen roll om vi tittade på en hel galax eller ett enskilt moln i vår egen galax, strukturen är mer eller mindre densamma."

För att bättre förstå arten av gasflödena, teamet valde ut flera regioner för närmare granskning, använda avancerade statistiska tekniker för att leta efter skillnader mellan fluktuationerna. Genom att kombinera en mängd olika mått, forskarna kunde avgöra hur hastighetsfluktuationerna beror på den rumsliga skalan.

"En snygg egenskap hos våra analystekniker är att de är känsliga för periodicitet, " förklarar Henshaw. "Om det finns återkommande mönster i din data, såsom jämnt fördelade gigantiska molekylära moln längs en spiralarm, vi kan direkt identifiera skalan på vilken mönstret upprepas." Teamet identifierade tre filamentformiga gasbanor, som, trots att de spårar väldigt olika skalor, alla verkade visa struktur som var ungefär lika långt fördelade längs deras krön, som pärlor på ett snöre, oavsett om det var gigantiska molekylära moln längs en spiralarm eller små "kärnor" som bildar stjärnor längs en glödtråd.

Teamet upptäckte att hastighetsfluktuationerna som är förknippade med strukturer som är åtskilda på samma avstånd alla visade ett distinkt mönster. "Fluktuationerna ser ut som vågor som svänger längs glödtrådarnas toppar, de har en väldefinierad amplitud och våglängd, säger Henshaw och lägger till, "Det periodiska avståndet mellan de gigantiska molekylära molnen i stor skala eller enskilda stjärnbildande kärnor i små skalor är förmodligen resultatet av att deras moderfilament blivit gravitationsinstabila. Vi tror att dessa oscillerande flöden är signaturen för gas som strömmar längs spiralarmarna eller konvergerar mot täthetstopparna, levererar nytt bränsle för stjärnbildning."

I kontrast, teamet fann att hastighetsfluktuationerna uppmätta genom gigantiska molekylära moln, på skalor mellan hela moln och de små kärnorna i dem, visar ingen uppenbar karakteristisk skala. Diederik Kruijssen, medförfattare till uppsatsen baserad vid Heidelbergs universitet förklarar:"Densitets- och hastighetsstrukturerna som vi ser i gigantiska molekylära moln är 'skalfria', eftersom de turbulenta gasflödena som genererar dessa strukturer bildar en kaotisk kaskad, avslöjar allt mindre fluktuationer när du zoomar in - ungefär som en romansk broccoli, eller en snöflinga. Detta skalningsfria beteende äger rum mellan två väldefinierade ytterligheter:hela molnets stora skala, och den lilla skalan av kärnorna som bildar enskilda stjärnor. Vi finner nu att dessa ytterligheter har väldefinierade karakteristiska storlekar, men däremellan härskar kaos."

"Föreställ dig de gigantiska molekylära molnen som jämnt fördelade megastäder förbundna med motorvägar, " säger Henshaw. "Från ett fågelperspektiv, strukturen i dessa städer, och bilarna och människorna som rör sig genom dem, verkar kaotisk och oordnad. Dock, när vi zoomar in på enskilda vägar, vi ser människor som har rest från när och fjärran komma in i sina enskilda kontorsbyggnader på ett ordnat sätt. Kontorsbyggnaderna representerar de täta och kalla gaskärnor från vilka stjärnor och planeter föds."