Формирование звезд и планет — дело запутанное. Все начинается с гравитационного коллапса гигантского облака газа и пыли, в результате которого одновременно рождаются массивные звезды, интенсивное радиационное поле которых создает суровую окружающую среду, а также более скромные звезды, такие как наше Солнце, окруженные диском, формирующим планеты. богат органическими веществами.
Астрофизики Западного университета Элс Петерс и Ян Ками, а также постдокторанты и аспиранты Райан Чоун, Амик Сидху, Бария Хан, София Паскини и Бетани Шефтер были одними из первых ученых в мире, которые использовали космический телескоп Джеймса Уэбба (Уэбб) для научных исследований. и в центре внимания было звездообразование.
«Процесс звездообразования является запутанным, потому что области звездообразования содержат звезды различной массы на разных стадиях их развития, хотя они все еще находятся в своем натальном облаке, и потому что происходит множество различных физических и химических процессов, которые влияют друг на друга», — сказал Петерс. , главный исследователь научной программы раннего выпуска PDRs4All JWST (ID1288) и преподаватель Западного института исследования Земли и космоса.
Звездообразование — очень активная область как в теоретической, так и в наблюдательной астрофизике, и Уэбб оказался ключом к пониманию этих процессов.
«Мы еще не до конца понимаем, как эти процессы формируют или разрушают диски, формирующие планеты, а также когда и как эти диски засеиваются химическими веществами, важными для жизни. Вот почему мы делаем то, что делаем», — сказал Ками, директор Мемориальной обсерватории Хьюма Кронина компании Western и основной член PDRs4All.
Петерс возглавляет международный консорциум PDRs4All вместе с Эмили Хабар из Университета Париж-Сакле, Франция, и Оливье Берне из Университета Тулузы, Франция. Консорциум PDRs4All состоит из более чем 120 исследователей со всего мира, включая астрономов, физиков и химиков, чей взаимодополняющий опыт позволяет им в полной мере использовать золотой прииск данных, полученных с помощью Webb, самого большого и мощного телескопа, когда-либо запущенного в космос.
PDRs4All направил Уэбба на перемычку Ориона, расположенную глубоко внутри знаменитой туманности Ориона, и собрал сокровищницу изображений и спектроскопических данных. Основная цель программы — раскрыть подробные физические и химические процессы, имеющие отношение к образованию звезд и планет.
Вместе со своими международными сотрудниками Петерс и Ками опубликовали серию из шести статей в журнале Astronomy & Astrophysicals, в которых представлен обзор их работы на сегодняшний день и первое глубокое погружение в мельчайшие детали того, что происходит в Орионе. Бар.
Это моя лучшая сторона?
Многие ключевые процессы в межзвездном пространстве происходят в так называемых областях фотодиссоциации (PDR, отсюда и название программы PDRs4All), где физика и химия полностью определяются взаимодействием УФ-излучения с газом и пылью. Бар Ориона — ближайший к Уэббу PDR, который предлагает свою наиболее полезную и фотогеничную сторону для изучения этих процессов в небольших физических масштабах.
«Данные невероятны и будут служить ориентиром для астрофизических исследований на десятилетия вперед», — сказал Петерс. «До сих пор мы исследовали лишь небольшую часть данных, и это уже привело к нескольким удивительным и важным открытиям».
В прошлом году PDRs4All опубликовала три крупных исследования, опубликованных в журналах Nature, Nature Astronomy и Science.
«Я получил огромное удовольствие детально изучить удивительные изображения Уэбба», — сказал Хабарт, руководитель первого нового исследования, опубликованного сегодня (14 мая) в журнале Astronomy & Astrophysicals. «Образы невероятно красивы и сложны; легко понять, почему так много людей в мире были потрясены, когда впервые их увидели».
Туманность Ориона, масса которой в 2000 раз превышает солнечную, и видимая невооруженным глазом, является ближайшей массивной областью звездообразования и, следовательно, одним из наиболее изучаемых и фотографируемых объектов Млечного Пути, а также одним из любимых публикой объектов. объекты в ночном небе.
Изображения Уэбба не похожи ни на один другой набор: они захватывают дух невероятными деталями, которые они раскрывают, показывая всевозможные волокна и гребни разных форм и цветов, усыпанные несколькими маленькими дисками, образующими планеты.
Внутри туманности Ориона находится перемычка Ориона — острый, диагональный, похожий на гребень выступ из газа и пыли. Бар Ориона, по сути, представляет собой край астрономически большого пузыря, вырезанного некоторыми из массивных звезд, питающих туманность.
«Те же структурные детали, которые придают этим изображениям эстетическую привлекательность, обнаруживают более сложную структуру, чем мы первоначально думали: газ и пыль на переднем и заднем плане немного усложняют анализ.
«Но эти изображения такого качества, что мы можем хорошо разделить эти регионы и показать, что край бара Ориона очень крутой, как огромная стена, как и предсказывают теории», — сказал Хабарт.
Петерс, который также играл важную роль в новой серии исследований по астрономии и астрофизике, использовал данные ближней ИК-спектроскопии Бара Ориона, чтобы вывести исследования на совершенно новый уровень.
«Эти изображения настолько невероятные в деталях, что мы будем изучать их еще много лет», — сказала она.
Спектроскопические наблюдения разделяют свет в зависимости от цвета и обнаруживают множество острых пиков, которые являются отпечатками различных химических соединений в собранном инфракрасном свете.
Тщательный анализ этих отпечатков пальцев позволяет исследователям изучить химический состав туманности, но это гораздо больше: различные комбинации этих отпечатков могут использоваться для измерения локальной температуры, плотности и силы радиационного поля, а также путем их измерения для Для каждого пикселя Питерс создал карты того, как эти величины изменяются по всему Бару Ориона.
«Набор спектроскопических данных охватывает гораздо меньшую область неба по сравнению с изображениями, но содержит гораздо больше информации. Картинка стоит тысячи слов, но мы, астрономы, лишь полушутя говорим, что спектр стоит тысячи изображений», — сказал Питерс, который измерил не менее 600 спектроскопических отпечатков пальцев и использовал их для значительного улучшения существующих моделей PDR.
Полученные данные и улучшенные модели PDR были представлены во втором исследовании в журнале Astronomy & Astrophysicals, которое возглавил Петерс.
«Что делает Orion Bar по-настоящему уникальным, так это его геометрия, расположенная с ребра, дающая нам место со стороны кольца для детального изучения различных физических и химических процессов, которые происходят, когда мы переходим из очень открытой, резко ионизированной области в гораздо более защищенные области, где может образовываться молекулярный газ», — сказал Ками.
«Эта статья представляет собой проявление силы, и для ее завершения потребовались настоящие титанические усилия, и это шаг вперед в нашем понимании того, как изменения в физической среде влияют на химию и наоборот».
Оставляя детали в пыли
Определив все физические условия, команда PDRs4All обратила внимание на другую проблему: выбросы пыли. Предыдущие наблюдения уже выявили резкие изменения в выбросах пыли в баре Ориона, но происхождение этих изменений не было ясно и представляло собой загадку, которая долгое время ставила в тупик астрофизиков.
«Четкие гиперспектральные данные Уэбба содержат гораздо больше информации, чем предыдущие наблюдения, что ясно указывают на ослабление излучения пылью и эффективное разрушение мельчайших частиц пыли как основную причину этих изменений», — заявил Институт астрофизики. Постдокторант пространственных исследований Мерием Эльяджури.
Эльяджури смоделировал выбросы пыли через освещенный край бара Орион и провел третье исследование, описывающее выводы команды.
Остальные три статьи посвящены выбросам крупных углеродсодержащих молекул, известных как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые представляют собой один из крупнейших резервуаров углеродсодержащих материалов во Вселенной. ПАУ содержат до 20% всего космического углерода, что делает их важными для наших собственных космических корней.
«Мы изучаем, что происходит с углеродсодержащими молекулами задолго до того, как углерод попадет в наши тела», — сказал Ками.
Эмиссия ПАУ обычно очень яркая, а молекулы ПАУ невероятно прочные и устойчивые.
«Неудивительно, что они оказались широко распространены по Вселенной и простираются на такие огромные космологические расстояния. Поэтому детальное изучение их в близлежащих регионах, таких как бар Ориона, где мы хорошо понимаем местную физическую и химическую среду, имеет решающее значение для интерпретации наблюдений далеких галактик», — сказал Сидху, бывший западный исследователь, постдокторант.
Данные Уэбба показывают полосы излучения ПАУ в мельчайших деталях и показывают, что характеристики излучения изменяются из-за радиации.
«Это действительно позорное богатство», — сказал Петерс. «Несмотря на то, что эти большие молекулы считаются очень прочными, мы обнаружили, что УФ-излучение меняет общие свойства молекул, вызывающих излучение».
УФ-излучение фактически разрушает некоторые более мелкие молекулы углерода и изменяет способ излучения более крупных.
«На самом деле вы видите изменения по мере перехода от этой очень суровой среды к более защищенной», — сказал бывший западный исследователь Райан Чоун, возглавлявший четвертое исследование.
Машинное обучение множится
Результаты Чоуна являются важными новыми открытиями, но они основаны на анализе только пяти небольших регионов в баре Ориона, которые являются репрезентативными для различных сред по всему бару.
София Пасквини, магистрантка под руководством Питерса, использовала методы машинного обучения для анализа выбросов ПАУ во всем наборе данных, состоящем из многих тысяч спектров. Она также обнаружила, что в регионах с большим количеством УФ-излучения ПАУ обычно крупнее, вероятно, потому, что более мелкие разрушаются. Это основа пятого исследования.
«Методы машинного обучения, которые София использовала для интерпретации данных, полученных из тысяч пикселей, дают по существу тот же результат, который мы получили, используя пять репрезентативных регионов, используя более традиционные методы», — сказал Петерс. «Это дает нам большую уверенность в том, что наша интерпретация более универсальна и, следовательно, дает более весомый вывод».
Как оказалось, изменения происходят не только в размерах ПАУ. Илан Шреттер, постдокторант из Тулузского университета (Франция), также применила к данным методы машинного обучения. Его результаты, опубликованные в шестом исследовании, подтверждают влияние УФ-излучения на размер ПАУ, но также обнаруживают очень явные изменения в структуре молекул.
«Эти статьи демонстрируют своего рода выживание сильнейших на молекулярном уровне в самых суровых условиях космоса», — сказал Ками.
Уэбб — самый мощный космический телескоп в истории человечества. Разработанный в сотрудничестве с НАСА, Европейским космическим агентством (ESA) и Канадским космическим агентством (CSA), он может похвастаться культовым зеркалом шириной 6,5 метра, состоящим из сотового узора из 18 шестиугольных зеркальных сегментов с золотым покрытием и пятислойный солнцезащитный козырек ромбовидной формы размером с теннисный корт.
В качестве партнера CSA получает гарантированную долю времени наблюдений Уэбба, что делает канадских ученых одними из первых, кто изучает данные, собранные самым совершенным космическим телескопом из когда-либо созданных.
Предоставлено
Университет Западного Онтарио
