Формирование звёзд — фундаментальный физический процесс во Вселенной. Звёзды освещают космос и дают начало планетам, некоторые из которых могут поддерживать жизнь. Хотя люди, несомненно, задавались вопросами о звёздах ещё с доисторических времён, новые технологические инструменты, такие как JWST, вывели наше естественное любопытство на совершенно новый уровень. Теперь мы можем заглянуть внутрь скрытых областей и обнаружить молодые звёзды в их пыльных коконах.
Исторический контекст
Наши интеллектуальные размышления стали более формализованными, по крайней мере, со времён Древней Греции, когда Демокрит предположил, что Млечный Путь состоит из звёзд. Два тысячелетия спустя немецкий философ Иммануил Кант размышлял о том, как образуются звёзды. В своей работе «Всеобщая естественная история и теория неба» 1755 года он предположил, что звёзды образуются, когда вращающееся туманное вещество гравитационно коллапсирует — удивительно точная оценка для того времени.
Сейчас у астрофизиков есть чрезвычайно подробные модели формирования звёзд, их старения и гибели. Но вопросов всё ещё много, и одна из причин, по которой NASA, ЕКА и Канадское космическое агентство создали JWST, — поиск ответов на эти вопросы. Одна из научных тем космического телескопа — рождение звёзд и протопланетных систем.
Наблюдения JWST
В рамках усилий по поиску ответов на вопросы о формировании звёзд JWST наблюдал Стрельца B2 — самое массивное и активное газопылевое облако в Млечном Пути. Оно находится вблизи центра галактики, примерно в четырёхстах световых годах от сверхмассивной чёрной дыры Млечного Пути — Стрельца А-звезда. Стрелец B2 (Sgr B2) имеет около 150 световых лет в поперечнике и содержит около трёх миллионов масс Солнца.
Облако Стрелец B2 изобилует светящейся пылью, освещённой блестящей коллекцией массивных звёзд. Но именно газовое содержание облака рассказывает реальную историю. Плотность водорода в Sgr B2 в 40 раз выше, чем в типичном молекулярном облаке. Облако известно своей сложной структурой, где плотность газа сильно варьируется вместе с температурой. Исследование такой сложной области — именно для этого и был создан JWST.
«Мощные инфракрасные инструменты Webb предоставляют нам детали, которые мы никогда раньше не могли увидеть, что поможет нам понять некоторые из всё ещё ускользающих от нас загадок формирования массивных звёзд и почему Стрелец B2 настолько активнее остальной части галактического центра», — сказал астроном Адам Гинзбург из Университета Флориды, соавтор нового исследования, представляющего наблюдения JWST.
Новое исследование под названием «Первое представление JWST о наиболее активно формирующем звёзды облаке в галактическом центре — Стрелец B2» опубликовано на сервере препринтов arXiv. Ведущий автор — Назар Будаев из отдела астрономии Университета Флориды.
«Мы сообщаем о наблюдениях JWST NIRCAM и MIRI за Sgr B2, наиболее активным местом формирования звёзд в галактике», — пишут авторы в своём исследовании. Новые наблюдения раскрывают многослойную, высокоструктурированную природу облака, а также две популяции массивных звёзд. Одна из них — выявленная популяция с низким поглощением, а другая — скрытая популяция с высоким поглощением. В этом контексте низкое поглощение означает, что свет звезды лишь незначительно блокируется пылью, а высокое поглощение означает, что большая часть света блокируется.
Стрелец B2 находится в Центральной молекулярной зоне Млечного Пути (CMZ) — богатой газом области, где, по оценкам, содержится 60 миллионов солнечных масс газопылевого вещества, участвующего в формировании звёзд, — всё в комплексе газовых облаков. Газ в CMZ намного плотнее, чем где-либо ещё в галактике.
Несмотря на наличие такого количества газа, скорость формирования звёзд в CMZ не так высока, как ожидалось. «Несмотря на то что в CMZ содержится около 80% плотного молекулярного газа галактики, она формирует лишь около 10% звёзд галактики, что более чем на порядок ниже ожидаемого согласно типичным соотношениям плотного газа», — объясняют исследователи.
Это несоответствие — одна из причин, по которой астрономы наблюдали Стрелец B2 с помощью JWST. Они надеются понять, как всё работает в этой экстремальной среде. Скорость формирования звёзд в Sgr B2 аналогична наиболее активному периоду формирования звёзд при z = 2 во время «Космического полудня» Вселенной. Исследователи особенно заинтересованы в его высокой скорости формирования звёзд (SFR), которая отличает его от CMZ.
«Стрелец B2 (Sgr B2) — это мощная лаборатория для изучения формирования и эволюции звёзд в условиях, аналогичных наиболее активному периоду космического звездообразования (z ≈ 2)», — пишут авторы.
«Несмотря на высокую чувствительность этих наблюдений, протяжённая популяция YSO не была обнаружена, что ограничивает их минимальное поглощение; этот результат намекает на то, что формирование звёзд в облаке только началось», — пишут авторы.
Хотя изображения Sgr B2 демонстрируют множество звёзд, выделяется ещё один элемент изображений, особенно на снимках с помощью средневолнового инфракрасного прибора JWST. Некоторые части облака чрезвычайно тёмные. Не потому, что там ничего нет, а потому, что газ и пыль настолько плотны, что даже мощный JWST не может заглянуть внутрь них. Толстые облака — это материал, из которого формируются звёзды, и весьма вероятно, что внутри них есть YSO, которые ещё не стали видимыми.
«Вместе эти результаты позволяют предположить, что, несмотря на то, что Sgr B2 уже носит корону наиболее активно формирующего звёзды облака, мы недооценили общее звездообразование в Sgr B2», — объясняют авторы.
Особенно красное облако на снимке MIRI привлекает большое внимание, поскольку наблюдения с помощью других телескопов показали, что оно очень богато молекулами. Но эти новые изображения JWST — первый раз, когда астрономы увидели его так чётко. Оно яркое, потому что сильно ионизировано массивными молодыми звёздами.
Центральный вопрос о Sgr B2 и CMZ заключается в том, почему формирование звёзд настолько высоко в первом случае и удивительно низко во втором. Хотя эти наблюдения не могут точно объяснить почему, подробные данные, собранные JWST и его мощными инструментами MIRI и NIRCam, могут привести к окончательному ответу. «JWST открывает ранее скрытые массивные звёзды и ионизированные структуры, предлагая преобразующий взгляд на то, как формируются звёзды в некоторых из наиболее экстремальных галактических условий», — пишут авторы.
Обнаружив двойную популяцию выявленных малопоглощающих и скрытых высокопоглощающих массивных звёзд, JWST показал, что другие телескопы упустили значительную часть формирования звёзд в Sgr B2, которая была скрыта пылью. Кроме того, телескоп обнаружил более дюжины ранее неизвестных областей HII, содержащих ионизированный водород, что говорит астрономам о том, что горячие молодые звёзды недавно сформировались и ионизировали водород мощным ультрафиолетовым излучением.
Люди имеют долгую историю изучения космоса, выявления вещей, которые требуют объяснения, и работы над их решением. Мы — искатели приключений и интеллектуальные кочевники, и мощные технологические инструменты, такие как JWST, усилили наше чувство удивления. «Люди изучали звёзды тысячи лет, и многое ещё предстоит понять», — сказал Назар Будаев, аспирант Университета Флориды и со-главный исследователь исследования. «Для всего нового, что показывает нам Уэбб, есть и новые загадки, которые предстоит исследовать, и это захватывающе — быть частью этого продолжающегося открытия».