Examinando el cielo durante casi cuatro años para observar el resplandor del frío polvo cósmico incrustado en las nubes interestelares de gas, el Observatorio Espacial Herschel ha proporcionado a los astrónomos una visión sin precedentes de las cunas estelares de nuestra galaxia. Como resultado, Se han dado pasos de gigante en nuestra comprensión de los procesos físicos que conducen al nacimiento de las estrellas y sus sistemas planetarios.

"Estamos hechos de estrellas "dijo el astrónomo Carl Sagan, como los átomos que nos hacen - nuestros cuerpos, Nuestros hogares, nuestro planeta - provienen en gran parte de generaciones anteriores de estrellas.

En efecto, estrellas y planetas nacen continuamente en los focos más densos y fríos de nubes moleculares, donde toman forma a partir de una mezcla que consiste principalmente en gas pero también contiene pequeñas cantidades de polvo mezcladas.

Como parte de un proceso de reciclaje cósmico, las estrellas también devuelven su material reprocesado después de su desaparición, enriqueciendo este medio interestelar que impregna todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, con elementos pesados ​​producidos en sus hornos nucleares y durante las violentas explosiones que acaban con la vida de las estrellas más masivas.

Los astrónomos saben desde hace mucho tiempo que las estrellas toman forma a medida que el material interestelar se une y se condensa. luego se rompe en fragmentos, las semillas de las estrellas futuras, pero muchos detalles de este complejo proceso permanecieron sin estar claros hasta no hace mucho tiempo.

Lo que cambió las tornas en la comprensión de cómo nacen las estrellas fue el Observatorio Espacial Herschel de la ESA, una misión pionera que se lanzó en 2009 y funcionó hasta 2013.

Un observatorio único

Dar sentido al Universo en el que vivimos es un esfuerzo fascinante forjado durante miles de años por el trabajo incesante de innumerables y dedicados pensadores tempranos, filósofos y más recientemente, por científicos. Este proceso continuo está marcado por importantes descubrimientos, a menudo es posible gracias a la aparición de nueva instrumentación que abre otra ventana al mundo, amplificando o expandiendo nuestros sentidos.

Permitiendo a los astrónomos observar más lejos y con mayor detalle durante los últimos cuatro siglos, el telescopio ha sido clave para establecer nuestra comprensión física del cosmos. Similar, el progreso de los detectores astronómicos, desde el ojo humano hasta las placas fotográficas, hace un par de cientos de años, ya una amplia variedad de dispositivos electrónicos durante el siglo pasado, ha sido igualmente revolucionario para el desarrollo de estas investigaciones.

El descubrimiento de luz en longitudes de onda distintas de la banda visible, En el siglo diecinueve, y su aplicación a la astronomía en el siglo XX, han impulsado este proceso, revelando clases completamente nuevas de fuentes y fenómenos cósmicos, así como aspectos inesperados de los conocidos.

Cuanto más frío es un objeto, cuanto más largas sean las longitudes de onda de la luz que emite, por lo que observar el cielo en los dominios del infrarrojo lejano y submilimétrico proporciona acceso a algunas de las fuentes más frías del Universo, incluyendo gas frío y polvo con temperaturas de 50 K e incluso menos.

Con un telescopio con un espejo primario de 3,5 metros, el más grande jamás observado en longitudes de onda del infrarrojo lejano, y detectores enfriados justo por encima del cero absoluto. Herschel podría realizar observaciones con una sensibilidad y resolución espacial sin precedentes en las longitudes de onda que son cruciales para adentrarse en la maraña de nubes formadoras de estrellas.

Esto hizo que Herschel fuera mucho más capaz de mapear la emisión directa del polvo frío que sus predecesores. que incluyen el satélite astronómico infrarrojo británico-holandés-estadounidense (IRAS), Observatorio espacial infrarrojo (ISO) de la ESA, Telescopio espacial Spitzer de la NASA, y el satélite Akari de JAXA.

El polvo es un componente menor pero crucial del medio interestelar que oscurece las observaciones en longitudes de onda ópticas y del infrarrojo cercano. Como tal, durante mucho tiempo se interpuso en el camino de los astrónomos para llegar al fondo de la formación estelar, tanto en nuestra Vía Láctea como en otras, galaxias más distantes.

Herschel cambió la situación por completo. En lugar de ser un problema, el polvo se convirtió en un activo crucial para los astrónomos:brillando intensamente en las largas longitudes de onda probadas por el observatorio, el polvo podría usarse como un trazador de gas interestelar a través de la Galaxia y, Más importante, de sus regiones más densas, las nubes moleculares, donde se desarrolla la formación de estrellas.

Además, Herschel brindó la posibilidad única de observar, con una cobertura espectral y una resolución sin precedentes, una gran cantidad de líneas en los espectros de nubes de gas producidas por átomos y moléculas presentes, aunque en pequeñas cantidades, en el gas. Junto con la observación del polvo, estas líneas atómicas y moleculares fueron fundamentales para rastrear las propiedades del gas en una gran cantidad de nubes formadoras de estrellas.

Varios de los programas clave de Herschel se dedicaron a estudiar el nacimiento de estrellas en nubes moleculares, cerca y lejos, en nuestra galaxia.

De manera prominente entre ellos, la encuesta Herschel Gould Belt Survey se concentró en áreas cercanas a casa, recopilar observaciones excepcionalmente detalladas de las regiones de formación de estrellas más cercanas, que se encuentran en las nubes formando colectivamente un anillo gigante a 1500 años luz del Sol. Otro proyecto, el estudio de imágenes de Herschel de objetos OB Young Stellar, examinó específicamente cómo nacen las estrellas masivas. Y finalmente, El Estudio del Plano Galáctico infrarrojo de Herschel realizó un censo completo de los viveros estelares a lo largo de la Vía Láctea mediante la recopilación de una vista de 360 ​​grados del Plano Galáctico.

Estos tres programas de observación por sí solos dedicaron más de 1500 horas de observaciones para investigar la formación de estrellas.

Filamentos en abundancia

El descubrimiento más sorprendente que surgió de estos extensos estudios fue una vasta e intrincada red de estructuras filamentosas que se abrían paso a través de la Galaxia.

Encontrar filamentos en sí no fue una novedad (ya se habían detectado estructuras similares en décadas anteriores), pero su presencia ubicua fue definitivamente notable.

Herschel fue el primer observatorio en revelar filamentos en casi todas partes del medio interestelar, de los pequeños, solo unos pocos años luz de largo, a hilos gigantes que se extienden a lo largo de cientos de años luz.

Tales estructuras se vieron en todo tipo de nubes, también en aquellos sin formación estelar en curso. Los astrónomos se preguntaron:¿por qué algunos filamentos producen estrellas, mientras que otros no?

La abundancia de nuevos datos reveló no solo que los filamentos son omnipresentes, pero también que parecen tener propiedades muy similares, al menos en nuestro vecindario local. Independientemente de su longitud, todos los filamentos observados en las nubes cercanas tienen un ancho universal, aproximadamente un tercio de un año luz.

El origen de estos filamentos interestelares y de su ancho universal probablemente esté relacionado con la dinámica turbulenta del gas en las nubes interestelares. De hecho, el ancho corresponde a la escala típica donde el gas sufre la transición del estado supersónico al subsónico, sugiriendo que los filamentos surgen como resultado de turbulencias supersónicas en las nubes.

Formación de estrellas de baja masa

Después de 2010, cuando se publicaron los primeros estudios de las observaciones de Herschel, quedó claro que los filamentos interestelares son elementos cruciales en el proceso de formación de estrellas.

La evidencia de las observaciones de Herschel continuó acumulándose durante los años siguientes.

Los filamentos parecen preceder a la formación de estrellas en nuestra galaxia y, en algunos casos, lo facilitan. Pero solo los filamentos que superan un umbral de densidad mínimo parecen estar activos en la producción de estrellas.

Teniendo en cuenta la evidencia acumulada, Los astrónomos desarrollaron un nuevo modelo para explicar cómo las estrellas de baja masa, como nuestro sol, nacen. En este escenario de dos pasos, primero una red de filamentos surge de turbulento, movimientos supersónicos de gas en el material interestelar. Más tarde, pero solo en los filamentos más densos, la gravedad se hace cargo:los filamentos se vuelven inestables y se fragmentan en grumos que, Sucesivamente, comienzan a contraerse y, finalmente, a crear núcleos preestelares, las semillas de las estrellas futuras.

Incluso si es omnipresente, Los filamentos representan una pequeña fracción de la masa total que constituye el medio interestelar de la Galaxia, y sólo los más densos participan en el proceso altamente ineficaz de formación estelar.

Si bien las estructuras filamentosas densas son, sin duda alguna, los sitios preferidos para el nacimiento estelar, Herschel también observó algunas estrellas que parecen estar formándose en regiones donde no se han identificado filamentos.

Formación de estrellas de gran masa

Estrellas masivas, superando varias veces la masa del Sol, son objetos raros pero extremadamente brillantes y poderosos que tienen un impacto significativo en su entorno. Su formación ha sido un acertijo que ha eludido explicación durante muchas décadas debido a la dificultad de conciliar la enorme presión de radiación que surge a medida que toman forma con el hecho de que esto es suficiente para dispersar el material y detener el proceso de acreción por completo.

Debido a las mayores masas y salidas de energía involucradas, estas estrellas deben cobrar vida en condiciones bastante diferentes de las que se encuentran en los lugares de nacimiento de sus contrapartes de menor masa. Como lo revelan las observaciones de Herschel, Las estrellas masivas parecen formarse en las proximidades de estructuras gigantes como crestas (masivas, filamentos de alta densidad) y núcleos (grupos esféricos de materia) que pueden surgir en la intersección de filamentos ordinarios.

Con sus enormes depósitos de gas y polvo, las crestas y los ejes pueden proporcionar el flujo sostenido de material necesario para apoyar el crecimiento de embriones estelares enormes. En estos entornos extremos, también llamados 'mini-starbursts', la formación de estrellas puede alcanzar niveles muy intensos, eventualmente dando lugar a cúmulos estelares que albergan principalmente estrellas masivas.

Al tiempo que destaca los diferentes fenómenos que conducen a la formación de estrellas de alta y baja masa, Herschel también los ha reunido en un marco común. Como parte de un proceso continuo que tiene lugar a todas las escalas, el material interestelar se agita, comprimidos y confinados en una variedad de estructuras filamentosas, cuyo posterior colapso por gravedad y posterior fragmentación da lugar a una multiplicidad de estrellas diferentes.

De nuevas respuestas a nuevas preguntas

En menos de una década, Los astrónomos que utilizan los extraordinarios datos de Herschel han demostrado cómo el fenómeno aparentemente complejo de la formación de estrellas puede entenderse en términos de procesos simples y universales. Las observaciones de galaxias cercanas indican que procesos similares podrían estar en juego también más allá de los confines de nuestra Vía Láctea.

During its surveys of star-forming regions, Herschel has also observed many protoplanetary disks around very young stars, providing a glimpse into the raw material that will eventually build up these stars' planetary systems.

Sin embargo, as new observations offer an answer to old questions, many new questions arise, some of which remain unanswered. Astronomers are still investigating a number of crucial aspects of star formation, such as the origin of filaments in molecular clouds, the dynamics of matter accretion, and the role of magnetic fields in the process.

To address some of these questions, in particular the formation of filaments, Herschel observations of various molecular clouds have been compared with measurements of the magnetic field in these clouds, obtained using ESA's Planck satellite and ground-based observatories, as well as with predictions of numerical simulations. The comparisons show that the magnetic fields tend to be perpendicular to the densest, star-forming filaments and parallel to lower-density filaments, known as striations, that flow into the denser ones, contributing to their growth.

Future studies and even more detailed observations will be needed to confirm and elucidate how magnetic fields do, as suggested, play a strong role in the process of star formation, contributing to deepening our understanding of this fascinating phenomenon.