Un equipo internacional liderado por el Departamento de Astrofísica-Laboratorio AIM de CEA-Irfu acaba de obtener nuevas pistas sobre el origen de la distribución de masa estelar, combinando datos de observación del gran interferómetro ALMA y el radiotelescopio APEX operado por el Observatorio Austral Europeo (ESO) y el Observatorio Espacial Herschel.

Gracias a ALMA, los investigadores han descubierto en la llamada Nebulosa de la Pata de Gato, ubicado aproximadamente a las 5, 500 años luz, la presencia de núcleos densos protoestelares mucho más masivos que los observados en la vecindad solar. Los investigadores han demostrado que existe un vínculo estrecho entre la distribución de masa de los filamentos interestelares y la distribución de masa de las estrellas. La densidad, o masa por unidad de longitud, de los filamentos parentales es el parámetro crucial que controla las masas de las estrellas recién formadas. Este descubrimiento proporciona una pista clave sobre el origen de las masas estelares. Estos resultados se publican en tres artículos de la revista. Astronomía y Astrofísica .

El enigma de las masas estelares

Las estrellas son los principales bloques de construcción del Universo y la vida de una estrella está determinada casi por completo por su masa inicial. Pero, el origen de la distribución de masa de las estrellas al nacer —llamada función de masa inicial por los astrónomos— es todavía un tema sin resolver. Durante mucho tiempo se ha pensado que las estrellas se forman por el colapso de nubes interestelares más o menos esféricas. Pero a partir de 2009, el observatorio espacial Herschel, observando en el infrarrojo lejano y submilimétrico, ha permitido un avance fundamental al revelar que las estrellas nacen principalmente en densos filamentos de gas frío. Cuando estos largos filamentos de gas, a una temperatura de apenas ~ 10 K (10 grados por encima del cero absoluto), alcanzar un umbral de densidad crítica de aproximadamente 5 masas solares por año luz de longitud, la concentración de masa se vuelve suficiente para formar estrellas.

Al observar las nubes interestelares en la vecindad solar, los resultados del satélite Herschel han demostrado que los filamentos de formación de estrellas tienen aproximadamente el mismo ancho, cerca de ~ 0,3 años luz. En estas nubes la masa característica de las estrellas formada por la fragmentación de filamentos es de aproximadamente ~ 0,3 masas solares.

Pero la sensibilidad y resolución de las imágenes del satélite Herschel fueron insuficientes para estudiar este proceso de fragmentación en nubes más distantes. Para comprender mejor cómo las estrellas que son significativamente más masivas que nuestro Sol pueden formarse en filamentos interestelares, Los astrónomos han tenido que usar instrumentos con capacidades de resolución más altas que Herschel, como la cámara ArTéMiS del radiotelescopio APEX y el gran interferómetro ALMA, ambos ubicados en el desierto de Atacama en Chile.

¿Estrellas más masivas en filamentos más densos?

El estudio de ALMA se centró en una región de formación estelar masiva conocida como NGC 6334, también conocida como la Nebulosa de la Pata de Gato, ubicado aproximadamente a 5500 años luz de la Tierra. Esta nebulosa fue una de las primeras regiones "fotografiadas" por la cámara ArTéMiS observando a la longitud de onda de 350 μm. La imagen de ArTéMiS reveló que el filamento principal tiene un ancho de aproximadamente 0,5 años luz, muy similar al medido con Herschel para filamentos en la vecindad solar.

Los investigadores del laboratorio AIM pudieron entonces mapear parte del filamento Cat's Paw utilizando el interferómetro ALMA. Sucesivamente, la imagen de ALMA mostró que la estructura del filamento es muy similar a la de los filamentos solares vecinos, hecho de "fibras" entrelazadas o trenzas y condensaciones protoestelares. Pero estas condensaciones protoestelares son aquí un orden de magnitud más masivas. Por lo tanto, parece que los filamentos interestelares se fragmentan cualitativamente de una manera muy similar, independientemente de su densidad, pero que la masa característica de las condensaciones protoestelares —y por tanto de las estrellas— que resulta de la fragmentación de los filamentos aumenta con la densidad lineal de los filamentos.

Esta estrecha relación demostrado por primera vez, refuerza la idea de que la formación de estrellas en filamentos de gas molecular denso es quizás un proceso casi universal. Estos filamentos representan "bloques de formación" fundamentales del nacimiento de estrellas y la densidad del filamento (o masa por unidad de longitud) parece ser el parámetro crítico que finalmente decide las masas de las estrellas formadas. Por tanto, la distribución de masa de las estrellas se "heredaría" en parte de la distribución de densidades lineales de filamentos.

Pero el enigma de las masas estelares aún no está completamente resuelto. Surge una nueva pregunta como resultado de este trabajo:¿cuál es el origen de la distribución de densidad de los filamentos formadores de estrellas? Los investigadores sospechan que el campo magnético y la organización de las líneas de campo dentro de los filamentos juegan un papel crucial aquí. El instrumento B-BOP, el generador de imágenes polarimétrico del proyecto SPICA (SPace Infrared telescope for Cosmology and Astrophysics) para el telescopio espacial infrarrojo criogénico propuesto como misión M5 de la Agencia Espacial Europea (ESA), debería permitir probar esta hipótesis en el futuro.