Звезды с большой массой, которые в восемь и более раз больше массы нашего Солнца, живут тяжело и умирают молодыми. Они часто заканчивают свою короткую жизнь сильными взрывами, называемыми сверхновыми, но их рождение гораздо более загадочно. Они образуются в очень плотных, холодных облаках газа и пыли, но об этих регионах мало что известно. В 2021 году, вскоре после запуска космического телескопа Джеймса Уэбба, ученые планируют изучить три из этих облаков, чтобы понять их структуру.

«То, что мы пытаемся сделать, это посмотреть на места рождения массивных звезд» , — объяснил Эрик Янг, главный исследователь программы, которая будет использовать Уэбб для изучения этого явления. Он является астрономом в Ассоциации космических исследований университетов в Колумбии, штат Мэриленд. «Определение реальной структуры облаков очень важно для понимания процесса звездообразования», — сказал он.

Эти холодные облака, масса которых может в 100 000 раз превышать массу Солнца, настолько плотны, что на небе они выглядят как большие темные пятна. В то время как они кажутся лишенными звезд, облака фактически просто затеняют свет от фоновых звезд. Эти темные пятна настолько густые пылью, что даже блокируют инфракрасные лучи на некоторых длинах волн, который невидим для человеческих глаз и обычно может проникать сквозь пыльные облака. Вот почему их называют «инфракрасно-темные облака». Тем не менее, беспрецедентная чувствительность Уэбба позволяет наблюдать фоновые звезды даже через эти очень плотные области.

Среда рождения и тесто для печенья

Чтобы понять, как образуются массивные звезды, вы должны понимать среду, в которой они образуются. Но одна из вещей, которая делает изучение массивного звездообразования настолько трудным, состоит в том, что, как только звезда зажигается, она излучает интенсивный ультрафиолетовый свет и сильный и сильный ветер.

«Эти силы разрушают среду рождения, в которой была создана звезда», — объяснила эксперт по инфракрасным и темным облакам Кара Баттерсби, доцент кафедры физики в Университете Коннектикута. «Среда, на которую вы смотрите после того, как она сформировалась, полностью отличается от среды, которая в первую очередь способствовала ее формированию. И поскольку мы знаем, что темные инфракрасные облака — это места, где могут образовываться массивные звезды, но если мы посмотрим на их структура до того, как звезды сформировались или только начали формироваться, мы сможем понять, какая среда необходима для формирования этих массивных звезд».

Баттерсби сравнивает этот процесс с выпечкой печенья: как только вы их испечете, они будут полностью отличаться от теста. Если вы никогда раньше не видели тесто, у вас не будет представления о том, как они выглядели до процессе выпечки. Инфракрасные темные облака похожи на сырое тесто перед тем, как его испечь. Изучение этих облаков сродни получению возможности взглянуть на тесто для печенья, увидеть, что в него входит, и узнать, какова его консистенция.

Важность массивных звезд

Понимание массивных звезд и их окружения важно по ряду причин. Во-первых, в во время взрывной смерти они выпускают много элементов, которые необходимы для жизни. Элементы тяжелее водорода и гелия, включая строительные блоки жизни на Земле, происходят из массивных звезд. Массивные звезды превратили вселенную, почти полностью состоящую из водорода, в богатую и сложную среду, способную производить планеты и людей.

Массивные звезды также производят огромное количество энергии. Как только они рождаются, они испускают свет, излучение и ветры, которые могут создавать пузырьки в межзвездной среде, возможно, вызывая образование звезд в разных местах. Эти расширяющиеся пузырьки могут также разбить область, где формируются новые звезды. Наконец, когда массивная звезда умирает в результате захватывающего взрыва, она навсегда меняет свое окружение.

Цели

Исследование будет сосредоточено на следующих трех областях.

Кирпич: одно из самых инфракрасно-темных облаков в нашей галактике в форме кирпича находится около центра галактики, примерно в 26 000 световых годах от Земли. Кирпич более, чем в 100 000 раз больше массы Солнца, похоже, не образует никаких массивных звезд — пока. Но у него такая большая масса в такой маленькой области, что если он действительно начнет образовывать звезды, то, как полагают ученые, это будет одним из самых массивных звездных скоплений в нашей галактике, очень похожим на скопление Арки или Квинтуплет, также находящиеся в окрестностях центра нашей галактики.

Змея: имя, вдохновленное змеиной формой, это чрезвычайно волокнистое облако, расположенное на расстоянии около 12 000 световых лет, с общей массой 100 000 Солнц. Вдоль Змеи разбросаны теплые плотные пылевые облака, каждое из которых в 1000 раз больше массы Солнца, из газа и пыли. Эти облака нагревают молодые массивные звезды, которые образуются внутри них. Змея может быть частью гораздо более длинной нити, которая является «Костью Млечного Пути», прослеживая спиральную структуру галактики.

IRDC 18223: это облако, находящееся на расстоянии около 11 000 световых лет, также является частью «кости Млечного пути». Оно показывает активное, массивное звездообразование, происходящее в одной его части, в то время как другая сторона кажется совершенно спокойной и невозмутимой. Пузырь на активной стороне уже начинает разрушать первоначальную нить, которая была там раньше. Пока спокойная сторона еще не начала формировать звезды, скорее всего, это произойдет в ближайшее время.

Техника

Чтобы изучить эти облака, Янг и его команда будут использовать фоновые звезды в качестве зондов. «Чем больше у вас звезд, тем больше различий», — сказал Янг. «Каждый из них похож на маленький карандашный лучик, и, измеряя цвет звезды, вы можете оценить, сколько пыли находится на этой конкретной линии обзора».

Ученые сделают карты — в основном, очень глубокие изображения — в четырех различных длинах волн инфракрасного излучения. Каждая длина волны имеет различную способность проникать в облако. «Если вы посмотрите на данную звезду и увидите, что она на самом деле намного краснее, чем вы ожидаете, то вы можете предположить, что ее свет на самом деле прошел сквозь пыль, и пыль сделала цвет более красным, чем типичная, не скрытая звезда», сказал Янг.

Наблюдая за разницей в цвете на основе этих четырех различных измерений в ближней инфракрасной области и сравнивая ее с моделью затемнения и покраснения пыли, Янг и его команда могут измерить пыль в этой конкретной линии обзора. Телескоп Уэбба позволит им сделать это для тысяч и тысяч звезд, которые проникают в каждое облако, предоставляя им множество точек данных. Поскольку большинство звезд данного типа похожи друг на друга по яркости и цвету, любые заметные различия, которые Уэбб может наблюдать, в основном связаны с воздействием материала между нами и звездами.

Только с телескопом Уэбба

Эта работа может быть выполнена только из-за изысканной чувствительности Уэбба и превосходного углового разрешения. Чувствительность Уэбба позволяет ученым видеть более слабые звезды и более высокую плотность фоновых звезд. Его угловое разрешение, способность различать мельчайшие детали объекта позволяет астрономам различать отдельные звезды.

Это исследование будет проводиться в рамках программы Уэбб — гарантированные временные наблюдения (GTO). Эта программа предназначена для поощрения ученых, которые помогли разработать ключевые аппаратные и программные компоненты или технические и междисциплинарные знания для обсерватории. Янг был частью команды разработчиков, которая создала инструмент ближней инфракрасной камеры (NIRCam) Уэбба.

Космический телескоп Джеймса Вебба станет первой в мире обсерваторией по космической науке, когда запустится в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки в нашей солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей вселенной и нашего места в этом. Уэбб — это международная программа, возглавляемая НАСА с ее партнерами, Европейским космическим агентством (ESA) и Канадским космическим агентством.