El gas molecular en las galaxias está organizado en una jerarquía de estructuras. El material molecular en las nubes gigantes de gas molecular viaja a lo largo de intrincadas redes de carriles de gas filamentoso hacia los centros congestionados de gas y polvo, donde se comprime en estrellas y planetas. al igual que los millones de personas que viajan diariamente a las ciudades para trabajar en todo el mundo.

Para comprender mejor este proceso, un equipo de astrónomos dirigido por Jonathan Henshaw en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) ha medido el movimiento del gas que fluye desde las escalas de las galaxias hasta las escalas de los grupos de gas dentro de los cuales se forman las estrellas individuales. Sus resultados muestran que el gas que fluye a través de cada escala está interconectado dinámicamente:mientras que la formación de estrellas y planetas ocurre en las escalas más pequeñas, este proceso está controlado por una cascada de flujos de materia que comienzan en escalas galácticas. Estos resultados se publican hoy en la revista científica Astronomía de la naturaleza .

El gas molecular en las galaxias se pone en movimiento mediante mecanismos físicos como la rotación galáctica, explosiones de supernovas, campos magnéticos, turbulencia, y gravedad, dando forma a la estructura del gas. Comprender cómo estos movimientos impactan directamente en la formación de estrellas y planetas es difícil, porque requiere cuantificar el movimiento del gas en un amplio rango de escala espacial, y luego vincular este movimiento a las estructuras físicas que observamos. Las modernas instalaciones astrofísicas ahora mapean de forma rutinaria grandes áreas del cielo, con algunos mapas que contienen millones de píxeles, cada uno con cientos o miles de mediciones de velocidad independientes. Como resultado, medir estos movimientos es un desafío científico y tecnológico.

Para hacer frente a estos desafíos, un equipo internacional de investigadores dirigido por Jonathan Henshaw en el MPIA en Heidelberg se propuso medir los movimientos del gas en una variedad de entornos diferentes utilizando observaciones del gas en la Vía Láctea y una galaxia cercana. Detectan estos movimientos midiendo el cambio aparente en la frecuencia de la luz emitida por las moléculas causado por el movimiento relativo entre la fuente de luz y el observador; un fenómeno conocido como efecto Doppler. Aplicando software novedoso diseñado por Henshaw y Ph.D. el estudiante Manuel Riener (coautor del artículo; también en MPIA), el equipo pudo analizar millones de mediciones. "Este método nos permitió visualizar el medio interestelar de una manera nueva, "dice Henshaw.

Los investigadores encontraron que los movimientos de gas molecular frío parecen fluctuar en velocidad, recuerda en apariencia a las olas en la superficie del océano. Estas fluctuaciones representan el movimiento del gas. "Las fluctuaciones en sí mismas no fueron particularmente sorprendentes, sabemos que el gas se mueve, "dice Henshaw. Steve Longmore, coautor del artículo, con sede en la Universidad John Moores de Liverpool, agrega, "Lo que nos sorprendió fue lo similar que parecía la estructura de velocidades de estas diferentes regiones. No importaba si estábamos mirando una galaxia entera o una nube individual dentro de nuestra propia galaxia, la estructura es más o menos la misma ".

Para comprender mejor la naturaleza de los flujos de gas, el equipo seleccionó varias regiones para un examen más detenido, utilizando técnicas estadísticas avanzadas para buscar diferencias entre las fluctuaciones. Combinando una variedad de diferentes medidas, los investigadores pudieron determinar cómo las fluctuaciones de velocidad dependen de la escala espacial.

"Una característica interesante de nuestras técnicas de análisis es que son sensibles a la periodicidad, "explica Henshaw." Si hay patrones repetidos en sus datos, como nubes moleculares gigantes igualmente espaciadas a lo largo de un brazo en espiral, podemos identificar directamente la escala en la que se repite el patrón ". El equipo identificó tres líneas de gas filamentosas, cuales, a pesar de rastrear escalas muy diferentes, todos parecían mostrar una estructura que estaba aproximadamente equidistantemente espaciada a lo largo de sus crestas, como cuentas en una cuerda, ya fueran nubes moleculares gigantes a lo largo de un brazo en espiral o pequeños "núcleos" que forman estrellas a lo largo de un filamento.

El equipo descubrió que las fluctuaciones de velocidad asociadas con la estructura espaciada equidistantemente mostraban un patrón distintivo. "Las fluctuaciones parecen ondas que oscilan a lo largo de las crestas de los filamentos, tienen una amplitud y longitud de onda bien definidas, "dice Henshaw y agrega:"El espaciamiento periódico de las nubes moleculares gigantes a gran escala o núcleos de formación de estrellas individuales a pequeña escala es probablemente el resultado de que sus filamentos parentales se vuelven gravitacionalmente inestables. Creemos que estos flujos oscilatorios son la firma del flujo de gas a lo largo de los brazos espirales o convergiendo hacia los picos de densidad, suministrando nuevo combustible para la formación de estrellas ".

A diferencia de, el equipo descubrió que las fluctuaciones de velocidad medidas a través de nubes moleculares gigantes, en escalas intermedias entre nubes enteras y los pequeños núcleos dentro de ellas, no muestran una escala característica obvia. Diederik Kruijssen, El coautor del artículo con sede en la Universidad de Heidelberg explica:"Las estructuras de densidad y velocidad que vemos en las nubes moleculares gigantes están 'libres de escala', porque los flujos de gas turbulento que generan estas estructuras forman una cascada caótica, revelando fluctuaciones cada vez más pequeñas a medida que se acerca, como un brócoli romanesco, o un copo de nieve. Este comportamiento libre de escala tiene lugar entre dos extremos bien definidos:la gran escala de toda la nube, y la pequeña escala de los núcleos que forman estrellas individuales. Ahora encontramos que estos extremos tienen tamaños característicos bien definidos, pero entre ellos reina el caos ".

"Imagina las nubes moleculares gigantes como megaciudades espaciadas equitativamente conectadas por carreteras, ", dice Henshaw." A vista de pájaro, la estructura de estas ciudades, y los coches y la gente que los atraviesa, parece caótico y desordenado. Sin embargo, cuando hacemos zoom en carreteras individuales, vemos personas que han viajado desde todas partes entrando en sus edificios de oficinas individuales de manera ordenada. Los edificios de oficinas representan los núcleos de gas fríos y densos de los que nacen las estrellas y los planetas ".