Med hjälp av tiotusentals stjärnor som observerats av rymdsonden Gaia har astronomer från MPIA och Chalmers avslöjat 3D-formerna för två stora stjärnbildande molekylära moln, Kalifornienmolnet och Orion A-molnet. I konventionella 2D-bilder ser de ut på liknande sätt strukturerade och innehåller filament av damm och gas med till synes jämförbara densiteter. I 3D ser de dock ganska distinkta ut. Faktum är att deras densitet är mycket mer annorlunda än vad deras bilder projicerade på himlens plan skulle antyda. Detta resultat löser det långvariga mysteriet om varför dessa två moln bildar stjärnor med olika hastighet.

Kosmiska moln av gas och damm är stjärnornas födelseplatser. Mer specifikt bildas stjärnor i de tätaste fickorna av sådant material. Temperaturerna sjunker till nära absolut noll, och den tätt packade gasen kollapsar under sin egen vikt och bildar så småningom en stjärna. "Densitet, mängden materia som komprimeras till en given volym, är en av de avgörande egenskaperna som bestämmer effektiviteten i stjärnbildningen", säger Sara Rezaei Khoshbakht. Hon är astronom vid Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland och huvudförfattare till en ny artikel publicerad i The Astrophysical Journal Letters idag.

I en pilotstudie som skildras i den här artikeln har Sara Rezaei Khoshbakht och medförfattaren Jouni Kainulainen tillämpat en metod som gör att de kan rekonstruera 3D-morfologier av molekylära moln till två gigantiska stjärnbildande moln. Kainulainen är forskare vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg, Sverige som tidigare också arbetat på MPIA. Deras mål var Orion A Cloud och California Cloud.

Vanligtvis är det svårt att mäta tätheten i moln. "Allt vi ser när vi observerar objekt i rymden är deras tvådimensionella projektion på en imaginär himmelssfär", förklarar Jouni Kainulainen. Han är expert på att tolka inverkan av kosmisk materia på stjärnljus och beräkna densiteter från sådana data. Kainulainen tillägger, "Konventionella observationer saknar det nödvändiga djupet. Därför är den enda densiteten vi vanligtvis kan härleda från sådana data den så kallade kolumndensiteten."

Kolumndensiteten är den massa som adderas längs en siktlinje dividerat med det projicerade tvärsnittet. Därför återspeglar dessa kolumndensiteter inte nödvändigtvis de faktiska tätheterna för molekylära moln, vilket är problematiskt när man relaterar molnegenskaper till stjärnbildningsaktivitet. Faktum är att bilderna av de två molnen som undersökts i detta arbete som visar den termiska stoftutsläppen uppenbarligen delar liknande strukturer och tätheter. Men deras vitt skilda stjärnbildningshastigheter har förbryllat astronomer i många år.

Istället visar den nya 3D-rekonstruktionen nu att de två molnen inte är så lika trots allt. Trots det trådliknande utseendet som 2D-bilderna visar är California Cloud ett platt och nästan 500 ljusår långt materialark med en stor bubbla som sträcker sig nedanför. Således kan man inte tillskriva ett enda avstånd till Kaliforniens moln, vilket har betydande återverkningar för tolkningen av dess egenskaper. Ur vårt perspektiv på jorden är den nästan kantorienterad, vilket bara simulerar en filamentstruktur. Som ett resultat av detta är arkets faktiska densitet mycket lägre än kolumndensiteten antyder, vilket förklarar skillnaden mellan de tidigare densitetsuppskattningarna och molnets stjärnbildningshastighet.

Och hur ser Orion A Cloud ut i 3D? Teamet bekräftade dess täta filamentstruktur som ses i 2D-bilderna. Men dess faktiska morfologi skiljer sig också från vad vi ser i 2D. Orion A är ganska komplex, med ytterligare kondenser längs den framträdande åsen av gas och damm. I genomsnitt är Orion A mycket tätare än Kaliforniens moln, vilket förklarar dess mer uttalade stjärnbildningsaktivitet.

Sara Rezaei Khoshbakht, också knuten till Chalmers tekniska högskola, utvecklade 3D-rekonstruktionsmetoden under sin doktorsexamen. på MPIA. Det involverar att analysera förändringen av stjärnljus när det passerar genom dessa moln av gas och damm, mätt av Gaia-rymdsonden och andra teleskop. Gaia är ett projekt från European Space Agency (ESA) vars primära syfte är att exakt mäta avstånden till över en miljard stjärnor i Vintergatan. Dessa avstånd är avgörande för 3D-rekonstruktionsmetoden.

"Vi analyserade och korskorrelerade ljuset från 160 000 och 60 000 stjärnor för molnen i Kalifornien respektive Orion A", säger Sara Rezaei Khoshbakht. De två astronomerna rekonstruerade molnmorfologierna och densiteterna med en upplösning på endast 15 ljusår. "Detta är inte det enda tillvägagångssättet astronomer använder för att härleda rumsliga molnstrukturer," tillägger Rezaei Khosbakht. "Men vår ger robusta och pålitliga resultat utan numeriska artefakter."

Denna studie bevisar sin potential att förbättra forskningen om stjärnbildning i Vintergatan genom att lägga till en tredje dimension. "Jag tror att ett viktigt resultat av detta arbete är att det utmanar studier som enbart förlitar sig på kolumndensitetströsklar för att härleda stjärnbildningsegenskaper och för att jämföra dem med varandra", avslutar Sara Rezaei Khoshbakht.

Detta arbete är dock bara det första steget i vad astronomerna vill uppnå. Sara Rezaei Khoshbakht driver ett projekt som i slutändan kommer att producera den rumsliga fördelningen av damm i hela Vintergatan och avslöja dess koppling till stjärnbildning. + Utforska vidare

Det molekylära molnets struktur Orion A undersöktes i detalj