Der Orionnebel mag ein bekanntes und gut untersuchtes Himmelsobjekt sein, aber neue Bilder des James Webb Space Telescope (JWST) zeigen diese sternbildende Wolke aus Gas und Staub in einem unglaublich neuen und lebendigen Licht.
Der Orionnebel, auch bekannt als „Messier 42“ (M42), befindet sich etwa 1.500 Lichtjahre von der Erde entfernt in Richtung des Sternbildes Orion. Damit ist es die unserem Sonnensystem am nächsten gelegene große Sternen- und Sternentstehungsstätte.
Der Orionnebel ist unter dunklem Himmel mit bloßem Auge sichtbar und wurde im Laufe der Menschheitsgeschichte untersucht, aber die JWST-Bilder zeigen ihn in beispielloser Detailliertheit. Das leistungsstarke Weltraumteleskop vergrößerte insbesondere die diagonale, kammartige Struktur aus Gas und Staub im unteren linken Quadranten von M42, die als „Orionsbalken“ bezeichnet wird.
Die mit dem PDRs4All-Programm von JWST gesammelten Bilder sind nicht nur aufgrund ihrer atemberaubenden Schönheit wertvoll. Dieser Datenschatz wird es Wissenschaftlern ermöglichen, tiefer in die oft chaotischen und chaotischen Bedingungen einzutauchen, die mit der Sternentstehung einhergehen.
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„Diese Bilder sind so detailliert, dass wir sie viele Jahre lang betrachten werden. Die Daten sind unglaublich und werden in den kommenden Jahrzehnten als Maßstab für die Astrophysikforschung dienen“, sagte Els Peeters, Astrophysiker an der Western University und Hauptforscher der Studie PDRs4All, in einer Pressemitteilung. . „Bisher haben wir nur einen winzigen Bruchteil der Daten untersucht, was bereits zu mehreren überraschenden und wichtigen Entdeckungen geführt hat.“
Die Sternentstehung im Orionnebel ist kompliziert
Sternentstehung entsteht, wenn übermäßig dichte Bereiche in gigantischen Gas- und Staubwolken aufgrund ihrer eigenen Schwerkraft zusammenbrechen. Dadurch entsteht ein „Protostern“, der von einem Geburtskokon aus Gas und Staub umgeben ist, der bei seiner Entstehung zurückgeblieben ist.
Protosterne sammeln weiterhin Material in ihren ursprünglichen Hüllen, bis sie genug Masse angesammelt haben, um in ihren Kernen die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium auszulösen. Dieser Prozess definiert einen Hauptreihenstern wie unsere Sonne, der diesen Prozess vor etwa 4,6 Milliarden Jahren durchlaufen hat.
Die Situation ist jedoch komplizierter, als es zunächst scheint, da diese übermäßig dichten Gebiete nicht alle die gleiche Größe oder Masse haben und nicht alle gleichzeitig zusammenbrechen.
„Der Prozess der Sternentstehung ist kompliziert, weil Sternentstehungsregionen Sterne unterschiedlicher Masse in unterschiedlichen Stadien ihrer Entwicklung enthalten, während sie noch in ihrer Geburtswolke eingebettet sind, und weil viele verschiedene physikalische und chemische Prozesse im Spiel sind und sich gegenseitig beeinflussen“, sagte Peeters . .
Einer der wichtigsten Aspekte beim Verständnis des Gases und Staubs zwischen Sternen oder des „interstellaren Mediums“, aus dem andere Sterne entstehen, ist die Physik der Photodissoziationsregionen oder „PDRs“ (die PDR in PDRs4All). Die Chemie und Physik von PDRs wird durch die Wechselwirkung der ultravioletten Strahlung heißer junger Sterne mit Gas und Staub bestimmt.
Im Orionnebel entstehen durch dieses Strahlungsbombardement Strukturen wie der Orionbalken, bei dem es sich im Wesentlichen um den Rand einer großen Blase handelt, die von einigen der massereichen Sterne, die den Nebel antreiben, geformt wurde.
„Die gleichen strukturellen Details, die diesen Bildern ihren ästhetischen Reiz verleihen, offenbaren eine komplexere Struktur als wir zunächst dachten – mit Gasen und Staub im Vorder- und Hintergrund, was die Analyse etwas schwieriger macht“, sagte Emile Habart, Mitglied des PDRs4All-Teams bei der Universität Paris-Saclay. . „Aber diese Bilder sind von solch einer Qualität, dass wir diese Regionen gut trennen können und zeigen, dass der Rand des Orion-Stabs sehr steil ist, wie eine riesige Wand, wie Theorien vorhersagen.“
Das JWST ermöglichte es den Forschern nicht nur, die Struktur des Orion-Balkens wie nie zuvor zu sehen, sondern anhand des Lichtspektrums des Orion-Balkens konnten sie auch bestimmen, wie seine chemische Zusammensetzung im gesamten Orion-Balken variiert. Dies ist möglich, weil chemische Elemente Licht mit charakteristischen Wellenlängen absorbieren und emittieren und so ihre Fingerabdrücke im Spektrum des Lichts hinterlassen, das Gase und Staub durchdringt.
Dies trug dazu bei, die großräumige chemische Zusammensetzung von M42 aufzudecken und ermöglichte es dem PDRs4All-Team zu sehen, wie sich Temperatur, Dichte und Strahlungsfeldintensität im Orionnebel verändern.
Die Erkennung von mehr als 600 chemischen Fingerabdrücken im Spektrum des Orionnebels während dieser Untersuchung könnte die PDR-Modelle erheblich verbessern.
„Der spektroskopische Datensatz deckt einen viel kleineren Bereich des Himmels ab als die Bilder, enthält aber viel mehr Informationen“, sagte Peeters. „Ein Bild sagt mehr als tausend Worte, aber wir Astronomen sagen halb im Scherz, dass ein Spektrum mehr sagt als tausend Bilder.“
Das James Webb-Weltraumteleskop lässt andere Teleskope im Stich
Das PDRs4All-Team befasste sich auch mit einem seit langem bestehenden Problem früherer Beobachtungen des Orionnebels, nämlich einer großen Variation der Staubemissionen im Orion-Stab, deren Ursprung nicht erklärt werden konnte. Diese Untersuchung ergab, dass diese Variation der Emission das Ergebnis eines zerstörerischen Prozesses des Orion-Bar-Funkens durch die Strahlung junger massereicher Sterne war.
„Die hyperspektralen JWST-Daten enthalten so viel mehr Informationen als frühere Beobachtungen, dass sie eindeutig darauf hinweisen, dass die Abschwächung der Strahlung durch Staub und die effektive Zerstörung kleinerer Staubpartikel die zugrunde liegende Ursache dieser Schwankungen ist“, sagte Mitglied des Teams und des Instituts für Astrophysik. » sagte Meriem El Yajouri, Postdoktorandin im Weltraum.
Das PDRs4All-Team konnte außerdem Details zu den Emissionen des Orionnebels aufdecken, die von großen Kohlenstoffmolekülen stammen, die als polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) bekannt sind. Es ist eines der größten Reservoirs an kohlenstoffbasierten Materialien im Kosmos und soll bis zu 20 % des Kohlenstoffs im Universum ausmachen.
Da das einzige uns bekannte Leben im Kosmos auf Kohlenstoff basiert, ist die Untersuchung von PAKs äußerst relevant für unser Verständnis der Existenz von Leben auf Planeten, die sich um junge Sterne bilden.
„Wir untersuchen, was mit Kohlenstoffmolekülen passiert, lange bevor Kohlenstoff in unseren Körper gelangt“, fügte Cami hinzu.
Aufgrund ihrer Robustheit und Widerstandsfähigkeit sind PAK-Moleküle sehr langlebig. Ihre Emissionen sind hell, und das JWST kann damit feststellen, dass ultraviolettes Licht von jungen Sternen diese Emissionen trotz der Resistenz von PAKs verändern kann.
„Es ist wirklich eine Peinlichkeit des Reichtums“, sagte Peeters. „Obwohl diese großen Moleküle als sehr robust gelten, haben wir herausgefunden, dass UV-Strahlung die Gesamteigenschaften der Moleküle verändert, die die Emission verursachen.“
Dabei zeigte sich, dass ultraviolette Strahlung kleinere Kohlenstoffmoleküle aufbricht, während die Emissionen größerer Moleküle verändert werden. Diese Effekte sind in den Orionnebeln in unterschiedlichen Extremen zu beobachten und bewegen sich von geschützten Umgebungen in exponiertere Regionen.
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„Was den Orion Bar wirklich einzigartig macht, ist seine hochmoderne Geometrie, die uns einen Platz am Ring bietet, um die verschiedenen physikalischen und chemischen Prozesse im Detail zu untersuchen, die ablaufen, wenn wir uns von der ionisierten Region, die sehr exponiert und rau ist, in die viel exponiertere bewegen.“ Region. geschützte Regionen, in denen sich molekulare Gase bilden können“, sagte Jan Cami, Mitglied des PDRs4All-Teams und Forscher an der Western University.
Der Einsatz von maschinellem Lernen zur Bewertung von PAKs ergab, dass ultraviolettes Licht diese Moleküle zwar nicht abbauen, aber ihre Struktur verändern kann.
„Diese Arbeiten offenbaren eine Art Überleben des Stärksten auf molekularer Ebene in den rauesten Umgebungen des Weltraums“, schloss Cami.
Die Forschungsergebnisse des Teams werden in einer Reihe von sechs Artikeln in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysics veröffentlicht.