Stjärn- och planetbildning är en rörig affär. Det börjar med gravitationskollapsen av ett gigantiskt moln av gas och damm, som samtidigt producerar massiva stjärnor, vars intensiva strålningsfält skapar en hård miljö, såväl som mer blygsamma stjärnor, som vår sol, omgivna av en planetbildande skiva som är rik på organiska material.
Astrofysikerna Els Peeters och Jan Cami från Western University samt forskarna med postdoktorer och doktorander Ryan Chown, Ameek Sidhu, Baria Khan, Sofia Pasquini och Bethany Schefter var bland de första forskarna i världen som använde rymdteleskopet James Webb (Webb) för vetenskaplig forskning, och fokus var stjärnbildning.
"Stjärnbildningsprocessen är rörig eftersom stjärnbildande regioner innehåller stjärnor med varierande massa i olika stadier av deras utveckling medan de fortfarande är inbäddade i deras födelsemoln och eftersom många olika fysikaliska och kemiska processer pågår som påverkar varandra," sa Peeters , en huvudutredare för PDRs4All JWST Early Release Science-programmet (ID1288) och fakultetsmedlem som en del av Westerns Institute for Earth and Space Exploration.
Stjärnbildning är ett mycket aktivt område både inom teoretisk och observationsastrofysik och Webb har visat sig vara nyckeln till att få insikt i dessa processer.
"Vi förstår ännu inte fullt ut hur dessa processer skulpterar eller förstör planetbildande skivor, och inte heller när och hur dessa skivor är sådda med kemikalier som är viktiga för livet. Det är därför vi gör som vi gör", säger Cami, chef för Western's. Hume Cronyn Memorial Observatory och kärnmedlem i PDRs4All.
Peeters leder det internationella PDRs4All-konsortiet tillsammans med Emilie Habart från University of Paris-Saclay, Frankrike och Olivier Berné från University of Toulouse, Frankrike. PDRs4All-konsortiet består av mer än 120 forskare runt om i världen, inklusive astronomer, fysiker och kemister vars kompletterande expertis gör det möjligt för dem att fullt ut dra nytta av guldgruvan av data som erhållits med Webb, det största, mest kraftfulla teleskopet som någonsin lanserats i rymden.
PDRs4All pekade Webb mot Orion Bar, djupt inne i den berömda Orionnebulosan, och samlade en skattkammare av bilder och spektroskopisk data. Huvudmålet med programmet är att avslöja de detaljerade fysikaliska och kemiska processer som är relevanta för stjärn- och planetbildning.
Tillsammans med sina internationella samarbetspartners har Peeters och Cami nu släppt en serie om sex artiklar i tidskriften Astronomy &Astrophysics som presenterar en översikt över deras arbete hittills och den första djupdykningen i de grova detaljerna om vad som pågår i Orion Bar.
Många av nyckelprocesserna i det interstellära rymden sker i så kallade fotodissociationsregioner (PDRs, därav programnamnet PDRs4All) där fysiken och kemin helt bestäms av samspelet mellan UV-strålning med gas och damm. Orion Bar är den PDR som ligger närmast Webb som erbjuder sin mest användbara och fotogena sida för att studera dessa processer i små fysiska skalor.
"Datan är otrolig och kommer att fungera som riktmärken för astrofysikforskning i decennier framöver", säger Peeters. "Än så länge har vi bara utforskat en liten bråkdel av data, och detta har redan resulterat i flera överraskande och stora upptäckter."
Under det senaste året har PDRs4All släppt tre stora studier publicerade i tidskrifterna Nature , Naturastronomi och Vetenskap .
"Jag hade det absoluta nöjet att studera de fantastiska Webb-bilderna i detalj," sa Habart, som ledde den första nya studien som publicerades idag (14 maj) i Astronomy &Astrophysics . "Bilderna är så otroligt vackra och invecklade; det är lätt att se varför så många människor i världen blev blåsta när de först såg dem."
Med en massa som är 2 000 gånger större än solen, och synlig för blotta ögat, är Orionnebulosan den närmaste massiva stjärnbildande regionen och är därför ett av de mest granskade och fotograferade objekten i Vintergatan, och en av allmänhetens favoriter. föremål på natthimlen.
Webb-bilderna är olik alla andra uppsättningar, hisnande i de otroliga detaljer de avslöjar, visar alla möjliga filament och åsar av olika former och färger, pepprade med flera små planetbildande skivor.
Inuti Orionnebulosan ligger Orion Bar, en skarp, diagonal, åsliknande egenskap av gas och damm. Orionbaren är i grunden kanten på en astronomiskt stor bubbla uthuggen av några av de massiva stjärnorna som driver nebulosan.
"Samma strukturella detaljer som ger dessa bilder deras estetiska tilltal avslöjar en mer komplicerad struktur än vi ursprungligen trodde – med förgrunds- och bakgrundsgas och damm som gör analysen lite svårare.
"Men de här bilderna är av sådan kvalitet att vi kan separera dessa regioner bra och avslöja att kanten på Orion Bar är väldigt brant, som en enorm mur, som förutspåtts av teorier," sa Habart.
Peeters, som också var en stor spelare i den nya serien Astronomy &Astrophysics studier, använde nära-IR-spektroskopiska data från Orion Bar för att föra forskningen till en helt ny nivå.
"De här bilderna har så otroliga detaljer att vi kommer att granska dem under många år framöver", sa hon.
Spektroskopiska observationer delar upp ljus som en funktion av färg och avslöjar många skarpa toppar som är fingeravtryck av olika kemiska föreningar i det insamlade infraröda ljuset.
En noggrann analys av dessa fingeravtryck gör det möjligt för forskare att undersöka nebulosans kemiska sammansättning, men det finns mycket mer:olika kombinationer av dessa fingeravtryck kan användas för att mäta den lokala temperaturen, densiteten och styrkan i strålningsfältet, och genom att mäta dessa för för varje pixel skapade Peeters kartor över hur dessa kvantiteter förändras i hela Orion Bar.
"Den spektroskopiska datamängden täcker ett mycket mindre område av himlen jämfört med bilderna, men det innehåller massor av information. En bild säger mer än tusen ord, men vi astronomer säger bara halvt på skämt att ett spektrum är värt tusen bilder, " sa Peeters, som mätte inte mindre än 600 spektroskopiska fingeravtryck och använde dessa för att avsevärt förbättra befintliga PDR-modeller.
Resultaten av data och förbättrade PDR-modeller presenterades i den andra studien i Astronomy &Astrophysics , som Peeters ledde.
"Vad som gör Orion Bar verkligen unik är dess kant-på-geometri, vilket ger oss en plats på ringsidan för att studera i utsökt detalj de olika fysikaliska och kemiska processerna som sker när vi flyttar från den mycket exponerade, hårda joniserade regionen till den mycket mer skyddade regioner där molekylär gas kan bildas", sa Cami.
"Denna uppsats är en tour de force och tog en verklig herkulisk ansträngning att slutföra, och det är ett steg framåt i vår förståelse av hur förändringar i den fysiska miljön påverkar kemin och vice versa."
Med de fysiska förhållandena kartlagda, vände PDRs4All-teamet sin uppmärksamhet mot ett annat problem:det med damm. Tidigare observationer hade redan avslöjat en brant variation i stoftutsläppen i Orion Bar, men ursprunget till dessa variationer var inte klart och presenterade ett mysterium som länge störde astrofysiker.
"De skarpa hyperspektrala Webb-data innehåller så mycket mer information än tidigare observationer att de tydligt pekade på dämpningen av strålning av damm och den effektiva förstörelsen av de minsta dammpartiklarna som den underliggande orsaken till dessa variationer", säger Institut d'Astrophysique Spatiale postdoktor Meriem Elyajouri.
Elyajouri modellerade dammutsläppet över den upplysta kanten av Orion Bar och ledde en tredje studie som beskrev teamets resultat.
De återstående tre artiklarna handlar alla om utsläpp av stora kolhaltiga molekyler kända som polycykliska aromatiska kolväten (PAH), som representerar en av de största reservoarerna av kolhaltiga material i universum. PAH innehåller upp till 20 % av allt kosmiskt kol, vilket gör dem relevanta för våra egna kosmiska rötter.
"Vi studerar vad som händer med kolhaltiga molekyler långt innan kolet tar sig in i våra kroppar", sa Cami.
PAH-emission är vanligtvis mycket ljus och PAH-molekyler är otroligt robusta och motståndskraftiga.
"Det är inte förvånande då att de visar sig vara utbredda över universum och sprider ut så stora kosmologiska avstånd. Att studera dem i detalj i närliggande regioner som Orion Bar där vi har en god förståelse för den lokala fysiska och kemiska miljön är därför avgörande för att tolka observationer av avlägsna galaxer", säger Sidhu, en tidigare västerländsk postdoktor.
Webb-data visar PAH-emissionsbanden i utsökt detalj och avslöjar att emissionsegenskaperna förändras på grund av strålning.
"Det är verkligen en skam för rikedomar", sa Peeters. "Även om dessa stora molekyler anses vara mycket robusta, fann vi att UV-strålning förändrar de övergripande egenskaperna hos molekylerna som orsakar utsläppet."
UV-strålning bryter faktiskt upp några av de mindre kolmolekylerna och förändrar hur de större strålar ut.
"Man ser faktiskt förändringar när man går från den här mycket hårda miljön till de mer skyddade miljöerna", säger tidigare västerländsk postdoktor Ryan Chown, som ledde den fjärde studien.
Chowns resultat är viktiga nya rön men baserades på analysen av endast fem små regioner i Orion Bar som är representativa för de olika miljöerna i baren.
Sofia Pasquini, en masterstudent under handledning av Peeters, använde maskininlärningsteknik för att analysera PAH-emissionen i hela datamängden bestående av många tusen spektra. Hon fann också att i regioner med mer UV-strålning är PAH vanligtvis större, troligen för att de mindre förstörs. Detta är grunden för den femte studien.
"De maskininlärningstekniker som Sofia använde för att tolka data utvunna från tusentals pixlar ger i stort sett samma resultat som vi hittade med de fem representativa regionerna med mer traditionella metoder", säger Peeters. "Det ger oss stor tilltro till att vår tolkning är mer allmängiltig och därmed en mer kraftfull slutsats."
Som det visar sig finns det mer än bara förändringar i storleken på PAH. Ilane Schroetter, en postdoktor vid universitetet i Toulouse, Frankrike, tillämpade också maskininlärningstekniker på data. Hans resultat, publicerade i den sjätte studien, bekräftar effekten av UV-strålning på PAH-storleken men fann också mycket tydliga förändringar i molekylernas struktur.
"Dessa tidningar avslöjar någon form av överlevnad för de starkaste på molekylär nivå i de hårdaste miljöerna i rymden", sa Cami.
Webb är det mest kraftfulla rymdteleskopet i mänsklighetens historia. Den har utvecklats i samarbete med NASA, European Space Agency (ESA) och Canadian Space Agency (CSA), och har en ikonisk 6,5 meter bred spegel, bestående av ett bikakeliknande mönster av 18 sexkantiga, guldbelagda spegelsegment och en femlagers, diamantformad solskärm lika stor som en tennisbana.
Som partner får CSA en garanterad andel av Webbs observationstid, vilket gör kanadensiska forskare till några av de första som studerade data som samlats in av det mest avancerade rymdteleskop som någonsin byggts.
Mer information: Emilie Habart et al, PDRs4All:WST:s NIR- och MIR-avbildningsvy av Orionnebulosan, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202346747
Els Peeters et al, PDRs4All:JWST:s NIR-spektroskopiska vy av Orion Bar, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348244
M. Elyajouri et al, PDRs4All:Modellering av dammutvecklingen över den upplysta kanten av Orion Bar, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348728
Ryan Chown et al, PDRs4All:En förlägenhet av rikedomar:Aromatiska infraröda band i Orion Bar, Astronomy &Astrophysics (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202346662
Sofia Pasquini et al, PDRs4All:Undersöka den fotokemiska utvecklingen av PAH i Orion Bar med hjälp av maskininlärningstekniker, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348465
Ilane Schroetter et al, PDRs4All:Det 3,3 μm aromatiska infraröda bandet som ett spår av fysikaliska egenskaper hos det interstellära mediet i galaxer, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348974
Journalinformation: Vetenskap , Natur , Astronomie och astrofysik , Naturastronomi
Tillhandahålls av University of Western Ontario
