La formación de estrellas y planetas es un asunto complicado. Comienza con el colapso gravitacional de una gigantesca nube de gas y polvo, que produce simultáneamente estrellas masivas, cuyo intenso campo de radiación crea un ambiente hostil, así como estrellas más modestas, como nuestro sol, rodeadas por un disco de formación de planetas que es rico en materiales orgánicos.
Los astrofísicos de la Western University Els Peeters y Jan Cami y los investigadores posdoctorales y graduados Ryan Chown, Ameek Sidhu, Baria Khan, Sofia Pasquini y Bethany Schefter estuvieron entre los primeros científicos del mundo en utilizar el telescopio espacial James Webb (Webb) para investigaciones científicas. y el foco era la formación de estrellas.
"El proceso de formación estelar es complicado porque las regiones de formación estelar contienen estrellas de diferentes masas en diferentes etapas de su desarrollo mientras aún están incrustadas en su nube natal y porque están en juego muchos procesos físicos y químicos diferentes que se influyen entre sí", dijo Peeters. , investigador principal del programa PDRs4All JWST Early Release Science (ID1288) y miembro del cuerpo docente como parte del Instituto Western para la Exploración de la Tierra y el Espacio.
La formación de estrellas es un campo muy activo tanto en astrofísica teórica como observacional y Webb ha resultado ser clave para comprender mejor estos procesos.
"Aún no entendemos completamente cómo estos procesos esculpen o destruyen los discos de formación de planetas, ni cuándo y cómo estos discos son sembrados con sustancias químicas que son importantes para la vida. Por eso hacemos lo que hacemos", dijo Cami, director de Western's Observatorio Hume Cronyn Memorial y miembro principal de PDRs4All.
Peeters codirige el consorcio internacional PDRs4All junto con Emilie Habart de la Universidad de Paris-Saclay, Francia, y Olivier Berné de la Universidad de Toulouse, Francia. El consorcio PDRs4All está formado por más de 120 investigadores de todo el mundo, incluidos astrónomos, físicos y químicos, cuya experiencia complementaria les permite aprovechar al máximo la mina de oro de los datos obtenidos con Webb, el telescopio más grande y potente jamás lanzado al espacio.
PDRs4All apuntó a Webb hacia la Barra de Orión, en lo profundo de la famosa Nebulosa de Orión, y recopiló un tesoro de imágenes y datos espectroscópicos. El objetivo principal del programa es revelar los procesos físicos y químicos detallados que son relevantes para la formación de estrellas y planetas.
Junto con sus colaboradores internacionales, Peeters y Cami han publicado una serie de seis artículos en la revista Astronomy &Astrophysics. que presenta una descripción general de su trabajo hasta la fecha y la primera inmersión profunda en los detalles esenciales de lo que está sucediendo en el Orion Bar.
Muchos de los procesos clave en el espacio interestelar ocurren en las llamadas regiones de fotodisociación (PDR, de ahí el nombre del programa PDRs4All), donde la física y la química están completamente determinadas por la interacción entre la radiación ultravioleta con el gas y el polvo. La Orion Bar es el PDR más cercano a Webb que ofrece su cara más útil y fotogénica para estudiar estos procesos a pequeñas escalas físicas.
"Los datos son increíbles y servirán como punto de referencia para la investigación astrofísica en las próximas décadas", afirmó Peeters. "Hasta ahora, hemos explorado sólo una pequeña fracción de los datos, y esto ya ha dado como resultado varios descubrimientos sorprendentes e importantes."
El año pasado, PDRs4All publicó tres estudios importantes publicados en las revistas Nature. , Astronomía de la Naturaleza y Ciencia .
"Tuve el absoluto placer de estudiar las asombrosas imágenes de Webb con gran detalle", dijo Habart, quien dirigió el primer estudio nuevo publicado hoy (14 de mayo) en Astronomy &Astrophysics. . "Las imágenes son increíblemente bellas e intrincadas; es fácil ver por qué tantas personas en el mundo quedaron impresionadas cuando las vieron por primera vez".
Con una masa 2.000 veces mayor que la del Sol y visible a simple vista, la Nebulosa de Orión es la región de formación estelar masiva más cercana y, por tanto, es uno de los objetos más estudiados y fotografiados de la Vía Láctea, y uno de los favoritos del público. objetos en el cielo nocturno.
Las imágenes de Webb no se parecen a ningún otro conjunto, impresionantes por los increíbles detalles que revelan, mostrando todo tipo de filamentos y crestas de diferentes formas y colores, salpicados de varios pequeños discos de formación de planetas.
Dentro de la Nebulosa de Orión se encuentra la Barra de Orión, una característica afilada, diagonal y en forma de cresta de gas y polvo. La barra de Orión es esencialmente el borde de una burbuja astronómicamente grande tallada por algunas de las estrellas masivas que alimentan la nebulosa.
"Los mismos detalles estructurales que dan a estas imágenes su atractivo estético revelan una estructura más complicada de lo que pensábamos originalmente:el gas y el polvo en primer plano y en segundo plano hacen que el análisis sea un poco más difícil.
"Pero estas imágenes son de tal calidad que podemos separar bien estas regiones y revelar que el borde de la barra de Orión es muy empinado, como un enorme muro, como predicen las teorías", dijo Habart.
Peeters, que también fue un actor importante en la nueva serie de Astronomy &Astrophysics estudios, utilizaron datos espectroscópicos de infrarrojo cercano de la barra de Orión para llevar la investigación a un nivel completamente nuevo.
"Estas imágenes tienen un nivel de detalle tan increíble que las examinaremos durante muchos años", afirmó.
Las observaciones espectroscópicas dividen la luz en función del color y revelan muchos picos nítidos que son huellas dactilares de diversos compuestos químicos en la luz infrarroja recogida.
Un análisis cuidadoso de estas huellas dactilares permite a los investigadores investigar la composición química de la nebulosa, pero hay mucho más:se pueden usar diferentes combinaciones de estas huellas dactilares para medir la temperatura local, la densidad y la intensidad del campo de radiación, y al medirlas para Para cada píxel, Peeters creó mapas de cómo cambian estas cantidades en la barra de Orión.
"El conjunto de datos espectroscópicos cubre un área mucho más pequeña del cielo en comparación con las imágenes, pero contiene mucha más información. Una imagen vale más que mil palabras, pero nosotros, los astrónomos, decimos medio en broma que un espectro vale más que mil imágenes. " afirmó Peeters, que midió no menos de 600 huellas dactilares espectroscópicas y las utilizó para mejorar enormemente los modelos PDR existentes.
Los datos resultantes y los modelos PDR mejorados se presentaron en el segundo estudio en Astronomy &Astrophysics. , que dirigió Peeters.
"Lo que hace que la barra Orion sea verdaderamente única es su geometría de borde, que nos brinda un asiento al lado del ring para estudiar con exquisito detalle los diferentes procesos físicos y químicos que ocurren a medida que pasamos de la región ionizada dura y muy expuesta a la mucho más regiones protegidas donde se puede formar gas molecular", dijo Cami.
"Este artículo es una proeza y requirió un verdadero esfuerzo hercúleo para completarlo, y es un salto adelante en nuestra comprensión de cómo los cambios en el entorno físico afectan a la química y viceversa".
Una vez definidas las condiciones físicas, el equipo de PDRs4All centró su atención en otro problema:el de la emisión de polvo. Observaciones anteriores ya habían revelado una fuerte variación en la emisión de polvo en la barra de Orión, pero el origen de estas variaciones no estaba claro y presentaba un misterio que durante mucho tiempo dejó perplejos a los astrofísicos.
"Los datos hiperespectrales de Webb contienen mucha más información que las observaciones anteriores, que apuntaban claramente a la atenuación de la radiación por el polvo y la destrucción eficiente de las partículas de polvo más pequeñas como la causa subyacente de estas variaciones", dijo el Institut d'Astrophysique La investigadora postdoctoral espacial Meriem Elyajouri.
Elyajouri modeló la emisión de polvo a lo largo del borde iluminado de la Barra de Orión y dirigió un tercer estudio que describe los hallazgos del equipo.
Los tres artículos restantes tratan sobre la emisión de grandes moléculas portadoras de carbono conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), que representan uno de los mayores reservorios de materiales carbonosos del universo. Los HAP contienen hasta un 20 % de todo el carbono cósmico, lo que los hace relevantes para nuestras propias raíces cósmicas.
"Estamos estudiando qué sucede con las moléculas carbonosas mucho antes de que el carbono llegue a nuestros cuerpos", dijo Cami.
La emisión de PAH suele ser muy brillante y las moléculas de PAH son increíblemente resistentes y resistentes.
"No es sorprendente, entonces, que estén extendidos por todo el universo y se extiendan a distancias cosmológicas tan vastas. Estudiarlos en detalle en regiones cercanas como la Barra de Orión, donde tenemos una buena comprensión del entorno físico y químico local, es "Por lo tanto, es crucial interpretar las observaciones de galaxias distantes", afirmó Sidhu, ex investigador postdoctoral occidental.
Los datos de Webb muestran las bandas de emisión de PAH con exquisito detalle y revelan que las características de emisión cambian debido a la radiación.
"Es realmente una vergüenza para las riquezas", dijo Peeters. "Aunque se cree que estas grandes moléculas son muy resistentes, descubrimos que la radiación UV cambia las propiedades generales de las moléculas que causan la emisión".
De hecho, la radiación ultravioleta rompe algunas de las moléculas de carbono más pequeñas y cambia la forma en que irradian las más grandes.
"En realidad se ven cambios a medida que se pasa de este entorno tan duro a entornos más protegidos", afirmó el ex investigador postdoctoral occidental Ryan Chown, quien dirigió el cuarto estudio.
Los resultados de Chown son nuevos hallazgos importantes, pero se basaron en el análisis de solo cinco pequeñas regiones en la Barra de Orión que son representativas de los diferentes entornos en toda la Barra.
Sofia Pasquini, estudiante de maestría supervisada por Peeters, utilizó técnicas de aprendizaje automático para analizar la emisión de HAP en todo el conjunto de datos que consta de muchos miles de espectros. Ella también descubrió que en regiones con más radiación ultravioleta, los HAP suelen ser más grandes, probablemente porque los más pequeños se destruyen. Ésta es la base del quinto estudio.
"Las técnicas de aprendizaje automático que Sofía utilizó para interpretar datos extraídos de miles de píxeles producen esencialmente el mismo resultado que encontramos utilizando las cinco regiones representativas utilizando métodos más tradicionales", dijo Peeters. "Esto nos da una gran confianza en que nuestra interpretación es más generalmente válida y, por lo tanto, una conclusión más poderosa".
Resulta que hay algo más que cambios en el tamaño de los HAP. Ilane Schroetter, investigadora postdoctoral de la Universidad de Toulouse, Francia, también aplicó técnicas de aprendizaje automático a los datos. Sus hallazgos, publicados en el sexto estudio, confirman el efecto de la radiación ultravioleta sobre el tamaño de los HAP, pero también encontraron cambios muy claros en la estructura de las moléculas.
"Estos artículos revelan algún tipo de supervivencia del más apto a nivel molecular en los entornos más duros del espacio", afirmó Cami.
Webb es el telescopio espacial más poderoso de la historia de la humanidad. Desarrollado en colaboración con la NASA, la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA), cuenta con un espejo icónico de 6,5 metros de ancho, que consta de un patrón en forma de panal de 18 segmentos de espejo hexagonales recubiertos de oro y un parasol de cinco capas con forma de diamante del tamaño de una cancha de tenis.
Como socio, CSA recibe una parte garantizada del tiempo de observación de Webb, lo que convierte a los científicos canadienses en algunos de los primeros en estudiar los datos recopilados por el telescopio espacial más avanzado jamás construido.
Más información: Emilie Habart et al, PDRs4All:Vista de imágenes NIR y MIR de WST de la Nebulosa de Orión, Astronomía y Astrofísica (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202346747
Els Peeters et al, PDRs4All:Vista espectroscópica NIR de JWST de la barra de Orión, Astronomía y astrofísica (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348244
M. Elyajouri et al, PDRs4All:Modelado de la evolución del polvo a través del borde iluminado de la barra de Orión, Astronomía y Astrofísica (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348728
Ryan Chown et al, PDRs4All:Una vergüenza de riquezas:bandas infrarrojas aromáticas en el Orion Bar, Astronomía y Astrofísica (2023). DOI:10.1051/0004-6361/202346662
Sofia Pasquini et al, PDRs4All:Sondeo de la evolución fotoquímica de los HAP en la barra de Orión mediante técnicas de aprendizaje automático, Astronomía y astrofísica (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348465
Ilane Schroetter et al, PDRs4All:La banda infrarroja aromática de 3,3 μm como trazador de propiedades físicas del medio interestelar en galaxias, Astronomía y astrofísica (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202348974
Información de la revista: Ciencia , Naturaleza , Astronomía y Astrofísica , Astronomía de la Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Western Ontario
