Tam, gdzie rodzą się gwiazdy, panują dziwne cienie. Odkryli ich znaczenie

W miejscu, gdzie powstają nowe gwiazdy, światło potrafi zmieniać skład chemiczny całych obłoków gazu. Okazuje się jednak, że równie ważne jest to, dokąd promieniowanie nie dociera. Naukowcy odkryli, że cienie rzucane przez gęstsze fragmenty materii tworzą obszary, w których zachodzą zupełnie inne reakcje chemiczne niż w ich bezpośrednim otoczeniu.

Przełom przyniósł trójwymiarowy model Mgławicy Oriona, pozwalający odtworzyć niezwykłe łuki i włókna obserwowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Wcześniejsze symulacje nie potrafiły jednak dobrze wyjaśnić ich wyglądu. Teraz astronomowie rozumieją znacznie lepiej, jak promieniowanie młodych gwiazd wpływa na gaz, z którego powstają kolejne pokolenia gwiazd i planet.

Badacze skupili się na obszarze nazywanym Poprzeczką Oriona, który znajduje się około 1350 lat świetlnych od Ziemi. To fragment granicy pomiędzy gorącym gazem oświetlanym przez młode, masywne gwiazdy a chłodniejszym obłokiem molekularnym, w którym mogą powstawać kolejne obiekty.

Poprzeczka Oriona jest dla astronomów bardzo przyjaznym miejscem do prowadzenia obserwacji, ponieważ widzimy ją niemal z boku. Dzięki temu naukowcy mogą rozróżniać warstwy materii znajdujące się w różnych odległościach od źródła silnego promieniowania.

Na zdjęciach i mapach widmowych Webba widać jednak coś, czego nie potrafiły dobrze odtworzyć żadne starsze, znane nam modele. Zamiast stosunkowo równych pasm gazu pojawiają się zakrzywione struktury, włókna i obszary, w których poszczególne związki chemiczne występują w nieoczekiwanych miejscach. Rozmieszczenie tych związków pozwala ustalać, co dzieje się z materią pod wpływem promieniowania. Astronomowie wiedzieli, jakie reakcje powinny zachodzić w obłoku, ale nie potrafili dokładnie wyjaśnić ich przestrzennego układu.

Okazuje się, że najważniejszą rolę odgrywa promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez młode, masywne gwiazdy. Ma ono wystarczająco dużo energii, żeby rozbijać niektóre cząsteczki na prostsze składniki oraz wyrywać elektrony z atomów. W miejscu bezpośrednio wystawionym na takie promieniowanie cząsteczki wodoru mogą rozpadać się na pojedyncze atomy. W głębszych, osłoniętych częściach obłoku wodór cząsteczkowy łatwiej przetrwa, a warunki sprzyjają innym reakcjom chemicznym.

Problem jednak w tym, że kosmiczny obłok nie jest jednolitą ścianą gazu. Zawiera liczne zagęszczenia, puste przestrzenie i struktury o bardzo różnych rozmiarach. Gęstsze fragmenty pochłaniają część docierającego promieniowania, przez co materia znajdująca się za nimi pozostaje w cieniu. Nie chodzi tutaj jednak o zwykły ciemny obszar widoczny na fotografii. To miejsca, do których dociera mniej wysokoenergetycznych fotonów, a więc mniej cząstek światła zdolnych do zmieniania składu chemicznego gazu.

W nowych symulacjach takie zacienione obszary mogą osiągać temperaturę około 20 K, czyli mniej więcej -253 st. C. Tymczasem przy bezpośrednio oświetlonej granicy obłoku temperatura gazu przekracza miejscami 1000 K. Warunki panujące po przeciwnych stronach gęstego zagęszczenia są więc skrajnie odmienne.

Za nowym opracowaniem stoi międzynarodowy zespół kierowany przez Brandta Gachesa z Uniwersytetu Duisburg-Essen w Niemczech. W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Astronomy & Astrophysics wykorzystano rozbudowany model trójwymiarowy. W przeciwieństwie do wcześniejszych symulacji nie przedstawiał on obłoku jako zestawu płaskich warstw.

Komputer musiał uwzględniać, że promieniowanie dociera do różnych miejsc pod różnymi kątami, napotykając po drodze zagęszczenia materii. Dzięki temu można było sprawdzić, jak rzeczywisty, nieregularny układ gazu wpływa na zachodzące w nim reakcje.

Symulacja odtworzyła rozpad cząsteczek wodoru pod wpływem promieniowania oraz przemianę dodatnio naładowanych jonów węgla w atomy obojętne elektrycznie. W starszych modelach granice występowania tych procesów powinny tworzyć oddzielne warstwy. Obserwacje Webba i radioteleskopu ALMA pokazywały jednak, że potrafią one niemal się pokrywać, a miejscami występować w odwrotnej kolejności.

Nowy model zgrabnie nam wyjaśnia więc, dlaczego w ogóle tak się dzieje. Promieniowanie przenika głębiej przez rzadsze fragmenty obłoku, ale zatrzymuje się na gęstszych skupiskach gazu. W efekcie granice reakcji chemicznych są poskręcane i mogą zachodzić na siebie.

Jednym z najciekawszych rezultatów astronomów było odtworzenie łuków i włókien widocznych w promieniowaniu wodoru cząsteczkowego. Naukowcy wygenerowali obrazy pokazujące, jak modelowany obłok wyglądałby w teleskopie Webba, a następnie porównali je z rzeczywistymi obserwacjami.

Zgodność okazała się zaskakująca i bardzo obiecująca. Oznacza to, że przynajmniej część struktur widocznych na zdjęciach może wynikać z trójwymiarowego kształtu obłoku i cieni tworzonych przez zagęszczenia gazu. Znaczenie odkrycia wykracza poza wygląd mgławicy. W takich obszarach zachodzą procesy decydujące o tym, jakie cząsteczki przetrwają w materii międzygwiazdowej i jakie związki mogą powstawać w otoczeniu młodych gwiazd.

Na Spider’s Web opisywaliśmy już wcześniej odkrycie przez Webba ważnej cząsteczki zawierającej węgiel w młodym układzie gwiezdnym znajdującym się właśnie w Mgławicy Oriona. Pokazało ono, że intensywne promieniowanie ultrafioletowe nie musi wyłącznie niszczyć cząsteczek, ale może również sprzyjać powstawaniu określonych związków.

Przeczytaj także:

Trzeba jednak zaznaczyć, że badacze nie stworzyli jeszcze dokładnej trójwymiarowej rekonstrukcji całej Poprzeczki Oriona. Model przedstawia obłok o podobnych właściwościach i pokazuje, jakie procesy mogą odpowiadać za obserwowane struktury. Dzięki temu astronomowie otrzymali nowe narzędzie do interpretowania danych z Webba i ALMA. Pozwoli ono lepiej rozróżniać, które cechy promieniowania wynikają ze składu chemicznego gazu, a które z jego przestrzennego rozmieszczenia.

*Źródło grafiki wprowadzającej: ESA