Stelle di grande massa, che sono otto o più volte la massa del nostro Sole, vivi duro e muori giovane. Spesso concludono la loro breve vita in violente esplosioni chiamate supernove, ma le loro nascite sono molto più di un mistero. Si formano in modo molto denso, nuvole fredde di gas e polvere, ma poco si sa di queste regioni. Nel 2021, poco dopo il lancio del James Webb Space Telescope della NASA, gli scienziati hanno in programma di studiare tre di queste nuvole per comprenderne la struttura.

"Quello che stiamo cercando di fare è guardare i luoghi di nascita delle stelle massicce, " ha spiegato Erick Young, ricercatore principale di un programma che utilizzerà Webb per studiare questo fenomeno. È un astronomo con la University Space Research Association in Columbia, Maryland. "Determinare l'effettiva struttura delle nuvole è molto importante per cercare di capire il processo di formazione stellare, " Egli ha detto.

Queste nuvole fredde, che possono avere fino a 100, 000 volte la massa del Sole, sono così densi da sembrare grandi, macchie scure sul cielo. Mentre sembrano privi di stelle, le nuvole in realtà stanno solo oscurando la luce delle stelle sullo sfondo. Queste macchie scure sono così dense di polvere che bloccano persino alcune lunghezze d'onda della luce infrarossa, un tipo di luce invisibile agli occhi umani e che di solito può penetrare attraverso le nuvole polverose. Ecco perché sono chiamate "nuvole scure a infrarossi". Però, la sensibilità senza precedenti di Webb consente l'osservazione delle stelle di fondo anche attraverso queste regioni molto dense.

Ambienti di nascita e pasta per biscotti

Per capire come si formano le stelle massicce, devi capire l'ambiente in cui si formano. Ma una delle cose che rende così difficile studiare la formazione di stelle massicce è che non appena una stella si accende, irradia un'intensa luce ultravioletta e venti forti e potenti.

"Queste forze distruggono l'ambiente di nascita in cui è stata creata la stella, " ha spiegato l'esperta di nuvole scure a infrarossi Cara Battersby, un assistente professore di fisica presso l'Università del Connecticut. "L'ambiente che stai osservando dopo che si è formato è totalmente diverso dall'ambiente che ha favorito la sua formazione in primo luogo. E poiché sappiamo che le nuvole scure a infrarossi sono luoghi in cui possono formarsi stelle massicce, se osserviamo la loro struttura prima che le stelle si siano formate o abbiano appena iniziato a formarsi, possiamo studiare quale ambiente è necessario per formare quelle stelle massicce".

Battersby paragona il processo alla cottura dei biscotti:non appena li cuoci, sono totalmente diversi dall'impasto stesso. Se non hai mai visto l'impasto prima, potresti non avere una buona idea di come sarebbe il processo di cottura. Le nuvole scure a infrarossi sono come l'impasto crudo prima di cuocerlo. Studiare queste nuvole è come avere la possibilità di guardare l'impasto dei biscotti, vedendo cosa c'entra, e imparando qual è la sua consistenza.

L'importanza delle stelle massicce

Comprendere le stelle massicce e il loro ambiente è importante per una serie di motivi. Primo, nelle loro morti esplosive, rilasciano molti elementi che sono essenziali per la vita. Gli elementi più pesanti dell'idrogeno e dell'elio, compresi gli elementi costitutivi della vita sulla Terra, provengono dall'interno di stelle massicce. Le stelle massicce hanno trasformato un universo che era quasi completamente composto da idrogeno al ricco, ambiente complesso in grado di produrre pianeti e persone.

Le stelle massicce producono anche enormi quantità di energia. Non appena nascono, emanano luce, radiazioni e venti che possono creare bolle nel mezzo interstellare, forse la formazione di stelle scintillanti in luoghi diversi. Queste bolle in espansione potrebbero anche rompere una regione in cui si stanno formando nuove stelle. Finalmente, quando una stella massiccia muore in una spettacolare esplosione, cambia per sempre l'ambiente circostante.

I bersagli

Lo studio si concentrerà Webb sulle seguenti tre aree.

The Brick:Una delle nuvole più scure nell'infrarosso della nostra galassia, questa nuvola approssimativamente a forma di mattone risiede vicino al centro della galassia, circa 26, 000 anni luce dalla Terra. Più di 100, 000 volte la massa del Sole, il mattone non sembra formare stelle massicce, ancora. Ma ha così tanta massa in un'area così piccola che se forma delle stelle, come gli scienziati pensano che dovrebbe, sarebbe uno degli ammassi stellari più massicci della nostra galassia, proprio come i gruppi di Archi e Quintuplet, anche nelle vicinanze del centro della galassia.

Il Serpente:Con un nome ispirato alla sua forma a serpentina, questa nuvola estremamente filamentosa è di circa 12, 000 anni luce di distanza con una massa totale di 100, 000 soli. Sparse lungo il Serpente sono calde, dense nubi di polvere, ciascuno contenente circa 1, 000 volte la massa del Sole in gas e polvere. Queste nuvole vengono riscaldate dai giovani, stelle massicce che si formano al loro interno. Il Serpente potrebbe essere una sezione di un filamento molto più lungo che è un "Osso della Via Lattea, "Tracciando la struttura a spirale della galassia.

IRDC 18223:Situato a circa 11, 000 anni luce di distanza, anche questa nuvola fa parte di un "Osso della Via Lattea". Si mostra attivo, massiccia formazione stellare che avviene in un lato di essa, mentre l'altro lato sembra completamente tranquillo e imperturbabile. Una bolla sul lato attivo sta già iniziando a distruggere il filamento iniziale che c'era prima. Mentre il lato quiescente non ha ancora iniziato a formare stelle, probabilmente lo farà presto.

La tecnica

Per studiare queste nuvole, Young e il suo team utilizzeranno le stelle di sfondo come sonde. "Più stelle hai, le più diverse linee di vista, " disse Young. "Ognuno è come un piccolo raggio di matita, e misurando il colore della stella, puoi valutare quanta polvere c'è in quella particolare linea di vista."

Gli scienziati creeranno mappe, in pratica, immagini molto profonde, in quattro diverse lunghezze d'onda infrarosse. Ogni lunghezza d'onda ha una diversa capacità di penetrare nella nuvola. "Se guardi una data stella e vedi che in realtà è molto più rossa di quanto ti aspetti, allora puoi supporre che la sua luce sia effettivamente passata attraverso un po' di polvere, e la polvere ha reso il colore più rosso del tipico, stella non oscurata, " ha detto Giovani.

Osservando la differenza di colore in base a queste quattro diverse misurazioni nel vicino infrarosso, e confrontandolo con un modello di polvere che si attenua e arrossisce, Young e il suo team possono misurare la polvere in quella particolare linea di vista. Webb permetterà loro di farlo per migliaia e migliaia di stelle che penetrano in ogni nuvola, dando loro una ricchezza di punti dati. Poiché la maggior parte delle stelle di un dato tipo sono simili tra loro per luminosità e colore, eventuali differenze marcate che Webb può osservare sono principalmente dovute agli effetti del materiale tra noi e le stelle.

Solo con Webb

Questo lavoro può essere svolto solo grazie alla squisita sensibilità di Webb e all'eccellente risoluzione angolare. La sensibilità di Webb consente agli scienziati di vedere stelle più deboli e una maggiore densità di stelle sullo sfondo. La sua risoluzione angolare, la capacità di distinguere i piccoli dettagli di un oggetto, permette agli astronomi di discriminare tra le singole stelle.

Questa scienza viene condotta come parte di un programma Webb Guaranteed Time Observations (GTO). Questo programma è progettato per premiare gli scienziati che hanno contribuito a sviluppare i componenti hardware e software chiave o le conoscenze tecniche e interdisciplinari per l'osservatorio. Young faceva parte del team di strumenti originale che ha costruito lo strumento Near Infrared Camera (NIRCam) di Webb.

Il James Webb Space Telescope sarà il principale osservatorio di scienze spaziali al mondo quando verrà lanciato nel 2021. Webb risolverà i misteri nel nostro sistema solare, guarda oltre a mondi lontani intorno ad altre stelle, e sondare le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (Agenzia Spaziale Europea) e Agenzia Spaziale Canadese.