Usando el observatorio ALMA en Chile, un grupo de astrónomos dirigido por Henrik Beuther de MPIA ha hecho la observación más detallada hasta ahora de la forma en que una nube de gas gigante se fragmenta en núcleos densos, que luego actúan como lugares de nacimiento de estrellas. Los astrónomos encontraron que los mecanismos de fragmentación son bastante sencillos, resultante de la combinación de la presión y la gravedad de la nube. Funciones más complejas, como líneas magnéticas o turbulencias, juegan un papel más pequeño de lo que se pensaba anteriormente.

Las estrellas nacen cuando colapsan nubes gigantes de gas y polvo. Cada vez que una de las regiones en colapso se vuelve lo suficientemente caliente y densa como para que se produzca la fusión nuclear, ha nacido una estrella. Para estrellas masivas, es decir, aquellas estrellas que exhiben más de ocho veces la masa del Sol, eso es solo una parte de la imagen, aunque. Las estrellas más grandes del Universo no nacen solas. Nacen de nubes masivas de gas molecular, que luego forman una cascada de fragmentos, con muchos de los fragmentos dando a luz a una estrella.

Los astrónomos se han preguntado durante mucho tiempo si este modo de fragmentación de la formación de estrellas requiere mecanismos físicos diferentes a los de las estrellas de menor masa. Las propuestas incluyen movimiento de gas turbulento, que podría desestabilizar una región y provocar un colapso más rápido, o campos magnéticos que podrían estabilizarse y retrasar el colapso.

Los diferentes mecanismos deberían dejar rastros reveladores en las regiones donde se están formando múltiples estrellas. El colapso que conduce a la formación de estrellas de gran masa tiene lugar en una jerarquía de diferentes niveles. En las escalas más grandes, la formación de estrellas involucra nubes moleculares gigantes, que consisten principalmente en gas hidrógeno y pueden alcanzar tamaños entre unas pocas docenas y más de cien años luz de diámetro. Dentro de esas nubes hay grupos un poco más densos, típicamente unos pocos años luz de diámetro. Cada grupo contiene uno o más núcleos densos, menos de una quinta parte de un año luz de diámetro. Dentro de cada núcleo, el colapso conduce a la formación de una sola estrella o de varias estrellas. Juntos, las estrellas producidas en los núcleos de un solo cúmulo formarán un cúmulo de estrellas.

Escalas reveladoras de fragmentación

Las escalas de esta fragmentación en múltiples niveles dependen de los mecanismos involucrados. El modelo más simple puede escribirse utilizando únicamente la física de la escuela secundaria:un gas ideal tiene una presión que depende de su temperatura y densidad. En una nube de gas simplificada, se supone que tiene una densidad constante, que la presión debe ser lo suficientemente fuerte en todas partes para equilibrar la fuerza de la gravedad (dada por la ley de gravedad de Newton), incluso en el centro de la nube, donde el empuje hacia adentro inducido por la gravitación de toda la materia circundante es más fuerte. Escriba esta condición, y encontrará que cualquier nube de densidad constante de este tipo solo puede tener un tamaño máximo. Si una nube es más grande que este máximo, que se llama la longitud de los pantalones vaqueros, la nube se fragmentará y colapsará.

¿La fragmentación de los clústeres masivos jóvenes está realmente dominada por estos procesos relativamente sencillos? No tiene por qué ser y algunos astrónomos han construido escenarios mucho más complejos, que incluyen la influencia del movimiento de gas turbulento y las líneas del campo magnético. Estos mecanismos adicionales cambian las condiciones para la estabilidad de la nube, y típicamente aumentan las escalas de los diferentes tipos de fragmentos.

Las diferentes predicciones para los tamaños de la nube ofrecen una forma de probar el escenario de física simple frente a sus competidores más complejos. Eso es lo que Henrik Beuther y sus colegas se propusieron hacer cuando observaron la región de formación estelar G351.77-0.54 en la constelación del sur de Scorpius (El Escorpión). Observaciones anteriores habían indicado que en esta región, la fragmentación podría quedar atrapada en el acto. Pero ninguna de estas observaciones había sido lo suficientemente poderosa como para mostrar la menor escala de interés para responder a la pregunta de las escalas de fragmentación:los núcleos protoestelares, por no hablar de su subestructura.

ALMA tiene el aspecto más detallado hasta el momento

Beuther y sus colegas pudieron hacer más. Utilizaron el Observatorio ALMA en el desierto de Atacama en Chile. ALMA combina las observaciones simultáneas de hasta 66 radiotelescopios para lograr una resolución de hasta 20 milisegundos de arco, lo que permite a los astrónomos discernir detalles diez veces más pequeños que con cualquier radiotelescopio anterior, y con una sensibilidad inigualable, una combinación que ya ha dado lugar a una serie de observaciones innovadoras también en otros campos.

Beuther y sus colegas utilizaron ALMA para estudiar la región de formación de estrellas de gran masa G351.77-0.54 hasta escalas de subnúcleo menores a 50 unidades astronómicas (en otras palabras, menos de 50 veces la distancia promedio entre la Tierra y el Sol). Como dice Beuther:"Este es un excelente ejemplo de cómo la tecnología impulsa el progreso astronómico. No podríamos haber obtenido nuestros resultados sin la resolución espacial y la sensibilidad sin precedentes de ALMA".

Sus resultados, junto con estudios anteriores de la misma nube a mayor escala, indican que la física de los gases térmicos está ganando el día, incluso cuando se trata de estrellas muy masivas:tanto el tamaño de los grupos dentro de la nube como, como muestran las nuevas observaciones, de núcleos dentro de los grupos e incluso de algunas subestructuras de núcleos son los predichos por los cálculos de longitud de Jeans, sin necesidad de ingredientes adicionales. Beuther comenta:"En nuestro caso, la misma física proporciona una descripción uniforme. La fragmentación de la mayor a la menor escala parece regirse por los mismos procesos físicos ".

Pequeños discos de acreción:un nuevo desafío

La simplicidad es siempre una bendición para las descripciones científicas. Sin embargo, las mismas observaciones también proporcionaron un descubrimiento que mantendrá a los astrónomos alerta. Además de estudiar la fragmentación, Beuther y col. había estado buscando desentrañar la estructura de las estrellas nacientes ("protoestrellas") dentro de la nube. Los astrónomos esperan que una protoestrella de este tipo esté rodeada por un disco giratorio de gas, llamado disco de acreción. Desde el disco interior de la llanta, el gas cae sobre la estrella en crecimiento, aumentando su masa. Además, Los campos magnéticos producidos por el movimiento del gas ionizado y el gas en sí interactúan para producir corrientes muy concentradas llamadas chorros. que disparan parte de la materia al espacio perpendicular a ese disco. La luz submilimétrica de esas regiones lleva signos reveladores ("ensanchamiento Doppler de líneas espectrales") del movimiento del polvo, que a su vez traza el movimiento del gas. Pero donde Beuther y sus colaboradores esperaban una firma clara de un disco de acreción, en lugar de, encontró principalmente la firma de los jets, cortando un camino comparativamente suave a través del gas circundante. Evidentemente, los discos de acreción son incluso más pequeños de lo que esperaban los astrónomos, un desafío para futuras observaciones con una resolución espacial aún mayor.