I en närliggande stellar plantskola som kallas Orionnebulosan, ung, massiva stjärnor spränger långt ultraviolett ljus mot molnet av damm och gas från vilket de föddes. Denna intensiva översvämning av strålning stör molnet våldsamt genom att bryta isär molekyler, joniserande atomer och molekyler genom att strippa deras elektroner, och värma gasen och dammet. Ett internationellt team som använder NASA:s rymdteleskop James Webb, som planeras att lanseras i oktober, kommer att studera en del av det utstrålade molnet som kallas Orion Bar för att lära sig mer om hur massiva stjärnor har inflytande på deras miljöer, och även om bildandet av vårt eget solsystem.

"Det faktum att massiva stjärnor formar strukturen av galaxer genom deras explosioner som supernovor har varit känt under lång tid. Men vad folk har upptäckt på senare tid är att massiva stjärnor också påverkar deras miljöer inte bara som supernovor, men genom deras vindar och strålning under deras liv, sa en av teamets huvudutredare, Olivier Berné, en forskare vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning i Toulouse.

Varför Orion Bar?

Även om det kan låta som ett vattenhål på fredagskvällen, Orion Bar är faktiskt ett åsliknande inslag av gas och damm i den spektakulära Orionnebulosan. Lite mer än 1, 300 ljusår bort, denna nebulosa är den närmaste delen av solen med massiv stjärnbildning. Orion Bar är skulpterad av den intensiva strålningen från närliggande, varm, unga stjärnor, och vid första anblicken verkar vara formad som en bar. Det är en "fotodissociationsregion, " eller PDR, där ultraviolett ljus från unga, massiva stjärnor skapar en mestadels neutral, men varmt, område av gas och damm mellan den helt joniserade gasen som omger de massiva stjärnorna och molnen där de föds. Denna ultravioletta strålning påverkar starkt gaskemin i dessa regioner och fungerar som den viktigaste värmekällan.

PDR förekommer där interstellär gas är tät och kall nog att förbli neutral, men inte tillräckligt tät för att förhindra penetration av långt ultraviolett ljus från massiva stjärnor. Utsläpp från dessa regioner är ett unikt verktyg för att studera de fysikaliska och kemiska processer som är viktiga för större delen av massan mellan och runt stjärnor. Processerna med strålning och molnavbrott driver utvecklingen av interstellär materia i vår galax och i hela universum från den tidiga eran av kraftig stjärnbildning till idag.

"Orion Bar är förmodligen prototypen av en PDR, " förklarade Els Peeters, en annan av teamets huvudutredare. Peeters är professor vid University of Western Ontario och medlem av SETI Institute. "Det har studerats mycket, så det är väl karaktäriserat. Det är väldigt nära, och det har verkligen sett kanten på. Det betyder att du kan undersöka de olika övergångsregionerna. Och eftersom det är nära, denna övergång från en region till en annan är rumsligt distinkt om du har ett teleskop med hög rumslig upplösning."

Orion Bar är representativ för vad forskare tror var de hårda fysiska förhållandena för PDR i universum för miljarder år sedan. "Vi tror att vid denna tidpunkt, du hade "Orionnebulosor" överallt i universum, i många galaxer, ", sa Berné. "Vi tror att det kan vara representativt för de fysiska förhållandena när det gäller det ultravioletta strålningsfältet i vad som kallas "starburst galaxer", som dominerar stjärnbildningens era, när universum var ungefär hälften av sin nuvarande ålder."

Bildandet av planetsystem i interstellära områden som bestrålas av massiva unga stjärnor är fortfarande en öppen fråga. Detaljerade observationer skulle göra det möjligt för astronomer att förstå effekten av den ultravioletta strålningen på massan och sammansättningen av nybildade stjärnor och planeter.

Särskilt, studier av meteoriter tyder på att solsystemet bildades i en region som liknar Orionnebulosan. Att observera Orion Bar är ett sätt att förstå vårt förflutna. Det fungerar som en modell för att lära sig om de mycket tidiga stadierna av solsystemets bildande.

Som en lagerkaka i rymden

PDR ansågs länge vara homogena områden med varm gas och damm. Nu vet forskare att de är mycket stratifierade, som en lagertårta. I verkligheten, Orion Bar är egentligen inte en "bar" alls. Istället, den innehåller mycket struktur och fyra distinkta zoner. Dessa är:

• Den molekylära zonen, ett kallt och tätt område där gasen är i form av molekyler och där stjärnor kan bildas;
• Dissociationsfronten, där molekylerna bryts isär till atomer när temperaturen stiger;
• Joniseringsfronten, där gasen är befriad från elektroner, bli joniserad, när temperaturen ökar dramatiskt;
• Det helt joniserade gasflödet in i ett atomområde, joniserat väte.

"Med Webb, vi kommer att kunna separera och studera de olika regionernas fysiska förutsättningar, som är helt olika, sa Emilie Habart, en annan av teamets huvudutredare. Habart är vetenskapsman vid det franska institutet för rymdastrofysik och universitetslektor vid Paris-Saclay University. "Vi kommer att studera övergången från mycket varma regioner till mycket kalla. Det är första gången vi kommer att kunna göra det."

Fenomenet med dessa zoner är ungefär som det som händer med värme från en eldstad. När du går bort från elden, temperaturen sjunker. Liknande, strålningsfältet förändras med avståndet från en massiv stjärna. På samma sätt, materialets sammansättning ändras på olika avstånd från den stjärnan. med Webb, forskare kommer för första gången att lösa varje enskild region inom den skiktade strukturen i det infraröda och karakterisera den fullständigt.

Banar väg för framtida observationer

Dessa observationer kommer att ingå i Director's Discretionary-Early Release Science-program, som ger observationstid till utvalda projekt tidigt i teleskopets uppdrag. Detta program låter det astronomiska samhället snabbt lära sig hur man bäst använder Webbs kapacitet, samtidigt som det ger robust vetenskap.

Ett mål med Orion Bar-arbetet är att identifiera de egenskaper som kommer att fungera som mall för framtida studier av mer avlägsna PDR. På större avstånd, de olika zonerna kan suddas ut tillsammans. Information från Orion Bar kommer att vara användbar för att tolka dessa data. Orion Bar-observationerna kommer att vara tillgängliga för det bredare forskarsamhället mycket snart efter insamlingen.

"Det mesta av ljuset som vi får från mycket avlägsna galaxer kommer från 'Orionnebulosor' som ligger i dessa galaxer, " förklarade Berné. "Så det är mycket meningsfullt att i detalj observera Orionnebulosan som är nära oss för att sedan förstå utsläppen som kommer från dessa mycket avlägsna galaxer som innehåller många Orion-liknande regioner i dem."

Endast möjligt med Webb

Med sitt läge i rymden, infraröd kapacitet, känslighet, och rumslig upplösning, Webb ger en unik möjlighet att studera Orion Bar. Teamet kommer att undersöka denna region med hjälp av Webbs kameror och spektrografer.

"Det är verkligen första gången som vi har så bra våglängdstäckning och vinkelupplösning, ", sa Berné. "Vi är väldigt intresserade av spektroskopi eftersom det är där du ser alla "fingeravtryck" som ger dig detaljerad information om de fysiska förhållandena. Men vi vill också att bilderna ska se materiens struktur och organisation. När du kombinerar spektroskopin och avbildningen i detta unika infraröda område, du får all information du behöver för att göra den vetenskap vi är intresserade av."