Studenci odkrywają fundamenty powstawania najmasywniejszych gwiazd w galaktyce

W unikalnym badaniu studenci Uniwersytetu Arizona przeszukali 101 obłoków gazu, aby znaleźć wśród nich te, które mogą zawierać masywne gwiazdy w pierwszej fazie ich formowania się.

Przez trzy lata Jenny Calahan kierowała badaniami studentów z Uniwersytetu Arizona, aby pomóc w odkryciu tajemnicy, w jaki sposób narodziły się najmasywniejsze gwiazdy w galaktyce.

W astronomii nadal otwartym pozostaje pytanie o formowanie się najmasywniejszych gwiazd. W jaki sposób gwiazdy ważące 8 mas Słońca tworzą się z obłoku gazu i pyłu?

Astronomowie rozumieją ten proces dla gwiazd wielkości naszego Słońca. Cząsteczki w obłokach są przyciągane do siebie i skupiają się razem. Grawitacja je wiąże i gazy przepływają do środka obłoku, gdy ten się zapada. Przez miliony lat gaz jest poddawany tak dużemu ciśnieniu, że zaczyna się palić, a gwiazda rodzi się, gdy w rdzeniu skompresowanego gazu rozpoczyna się fuzja jądrowa.

Teorie na temat tego, ile gazu oraz czasu potrzeba na stworzenie gwiazdy takiej, jak Słońce, można udowodnić dzięki obserwacjom, ponieważ każdy etap życia gwiazdy podobnej do niego – od kolapsu obłoków gazu do wnętrza gwiezdnego jądra, do ekspansji gwiazdy w postaci czerwonego olbrzyma i zapadnięcie się do białego karła – można obserwować w całej galaktyce.

Jednak astronomowie muszą jeszcze zrozumieć, w jaki sposób powstają gwiazdy o masie ponad 8 razy większej, niż Słońce. Gwiazdy tej wielkości pod koniec swojego życia eksplodują w postaci supernowych, pozostawiając po sobie czarne dziury bądź gwiazdy neutronowe.

Istnieje kilka teorii na temat powstawania tych masywnych gwiazd. Jedna z nich dotyczy formowania się masywnych rdzeni. Są to gęste zbiory gazu, kilkakrotnie większe niż gwiazda, którą tworzą. W przypadku masywnych gwiazd jądra muszą być co najmniej 30 razy masywniejsze od Słońca. Jednak są trudności ze znalezieniem takich obiektów.

Inna teoria jest taka, że mało masywne jądra tworzą się wewnątrz gazowego skupiska. Rdzenie o małej masie rosną, konkurując o materię zawartą w skupisku. Ostatecznie jeden z rdzeni rośnie wystarczająco duży, aby utworzyć masywną gwiazdę.

I teraz powstaje pytanie: która z teorii jest poprawna? A może prawdziwe jest połączenie ich obu? Pierwszym krokiem do odpowiedzi na to pytanie jest identyfikacja najwcześniejszej fazy formowania się gwiazd, więc zespół postanowił znaleźć skupiska wykazujące oznaki ruchu zapadającego się gazu, zwanego „napływem”.
 
Calahan wybrała 101 obiektów z listy ponad 2000 ogromnych, zimnych i pozornie pozbawionych gwiazd obłoków gazu, nazwanych bezgwiezdnymi kandydatami na skupiska (ang. starless clump candidates – SSC).  

Chociaż astronomowie badali w przeszłości SSC, wielu z nich skupiało się na najjaśniejszych i najbardziej masywnych obiektach. Badanie Calahan było wyjątkowe, ponieważ było to tzw. ślepe badanie.

Począwszy od kilkuset do kilku tysięcy mas Słońca, wybrane przez Calahan SSC są reprezentatywną próbką wszystkich obłoków gazowych, które mogą tworzyć masywne gwiazdy.

Korzystając z 12-metrowego radioteleskopu Steward Observatory na Kitt Peak w Arizonie, Calahan wykryła i śledziła fale radiowe emitowane przez gaz molekularny oxomethylium (HCO+), który emituje określoną długość fali radiowej.

SSC badane przez studentów następnie są obserwowane przez radioteleskopy ALMA, które mogą zajrzeć głębiej do gazów i znaleźć gwiazdy lub inne obiekty, których nie można zobaczyć przy użyciu 12-metrowego teleskopu.

Oxomethylium, jedna z najbardziej obfitych molekuł w kosmosie, jest wysoce reaktywnym jonem, który nie przetrwałby w ziemskiej atmosferze. Gdy oxomethlium porusza się w kierunku obserwatora, długości fal się skracają, a gdy się oddala – wydłużają się.

Analizując długości fal, Calahan zidentyfikowała sześć SSC, które wykazały charakterystyczne cechy kolapsu, co sugeruje, że gaz zapada się szybko, a to tłumaczy zaledwie 6% procesu powstawania masywnych gwiazd.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
UA Students Find Foundations for Galaxy's Most Massive Stars

Źródło: University of Arizona

Na zdjęciu: Żółte kulki widoczne w środku zdjęcia to masywne gwiazdy w fazie formowania się. Źródło: Courtesy of NASA/JPL-Caltech