Utilizzando l'osservatorio ALMA in Cile, un gruppo di astronomi guidati da Henrik Beuther di MPIA ha fatto l'osservazione più dettagliata finora sul modo in cui una gigantesca nube di gas si frammenta in nuclei densi, che poi fungono da luogo di nascita delle stelle. Gli astronomi hanno scoperto che i meccanismi per la frammentazione sono abbastanza semplici, risultante dalla combinazione della pressione e della gravità della nuvola. Caratteristiche più complesse, come linee magnetiche o turbolenze, giocano un ruolo minore di quanto si pensasse in precedenza.

Le stelle nascono quando gigantesche nubi di gas e polvere collassano. Ogni volta che una delle regioni in collasso diventa abbastanza calda e densa da innescare la fusione nucleare, è nata una stella. Per le stelle massicce, cioè quelle stelle che esibiscono più di otto volte la massa del Sole, questa è solo una parte dell'immagine, anche se. Le stelle più grandi dell'Universo non nascono da sole. Nascono da enormi nubi di gas molecolare, che poi formano una cascata di frammenti, con molti dei frammenti che danno vita a una stella.

Gli astronomi si sono a lungo chiesti se questa modalità di frammentazione della formazione delle stelle richieda meccanismi fisici diversi rispetto alle stelle di massa inferiore. Le proposte includono il movimento turbolento del gas, che potrebbe destabilizzare una regione e portare a un collasso più rapido, o campi magnetici che potrebbero stabilizzarsi e quindi ritardare il collasso.

I diversi meccanismi dovrebbero lasciare tracce rivelatrici nelle regioni in cui si stanno formando più stelle. Il collasso che porta alla formazione di stelle di grande massa avviene su una gerarchia di livelli differenti. Alle scale più grandi, la formazione stellare coinvolge nuvole molecolari giganti, che consistono principalmente di gas idrogeno e possono raggiungere dimensioni comprese tra poche dozzine e più di cento anni luce. All'interno di quelle nuvole ci sono grumi leggermente più densi, in genere di pochi anni luce di diametro. Ogni ciuffo contiene uno o più nuclei densi, meno di un quinto di anno luce di diametro. All'interno di ogni nucleo, il collasso porta alla formazione di una stella singola o di più stelle. Insieme, le stelle prodotte nei nuclei di un singolo ammasso formeranno un ammasso stellare.

Scale rivelatrici di frammentazione

Le scale di questa frammentazione a più livelli dipendono dai meccanismi coinvolti. Il modello più semplice può essere scritto usando solo la fisica delle scuole superiori:un gas ideale ha una pressione che dipende dalla sua temperatura e densità. In una nuvola di gas semplificata, supposto di avere densità costante, quella pressione deve essere abbastanza forte ovunque da bilanciare la forza di gravità (data dalla legge di gravità di Newton) - anche al centro della nuvola, dove la spinta verso l'interno indotta dalla gravitazione di tutta la materia circostante è più forte. Scrivi questa condizione, e scoprirai che una tale nuvola a densità costante può avere solo una dimensione massima. Se una nuvola è più grande di questo massimo, che si chiama la lunghezza dei jeans, la nuvola si frammenterà e collasserà.

La frammentazione dei giovani ammassi massicci è davvero dominata da questi processi relativamente semplici? non ha bisogno di essere, e alcuni astronomi hanno costruito scenari molto più complessi, che includono l'influenza del movimento turbolento del gas e delle linee del campo magnetico. Questi meccanismi aggiuntivi modificano le condizioni per la stabilità delle nuvole, e tipicamente aumentano le scale dei diversi tipi di frammento.

Diverse previsioni per le dimensioni del cloud offrono un modo per testare lo scenario fisico semplice rispetto ai suoi concorrenti più complessi. Questo è ciò che Henrik Beuther e i suoi colleghi si sono proposti di fare quando hanno osservato la regione di formazione stellare G351.77-0.54 nella costellazione meridionale dello Scorpione (Lo Scorpione). Precedenti osservazioni avevano indicato che in questa regione, la frammentazione potrebbe essere colta in flagrante. Ma nessuna di queste osservazioni era stata abbastanza potente da mostrare la più piccola scala di interesse per rispondere alla domanda delle scale di frammentazione:i nuclei protostellari, figuriamoci la loro sottostruttura.

ALMA prende l'aspetto più dettagliato di sempre

Beuther ei suoi colleghi sono stati in grado di fare di più. Hanno utilizzato l'Osservatorio ALMA nel deserto di Atacama in Cile. ALMA combina le osservazioni simultanee di un massimo di 66 radiotelescopi per ottenere una risoluzione fino a 20 millisecondi d'arco, che consente agli astronomi di discernere dettagli dieci volte più piccoli rispetto a qualsiasi precedente radiotelescopio, e con una sensibilità senza rivali, una combinazione che ha già portato a numerose osservazioni rivoluzionarie anche in altri campi.

Beuther e i suoi colleghi hanno usato ALMA per studiare la regione di formazione stellare di grande massa G351.77-0.54 fino a scale sub-core inferiori a 50 unità astronomiche (in altre parole, meno di 50 volte la distanza media tra la Terra e il Sole). Come dice Beuther:"Questo è un ottimo esempio di come la tecnologia guidi il progresso astronomico. Non avremmo potuto ottenere i nostri risultati senza la risoluzione spaziale e la sensibilità senza precedenti di ALMA".

I loro risultati, insieme a studi precedenti sulla stessa nuvola su scala più ampia, indicano che la fisica del gas termico sta vincendo la giornata, anche quando si tratta di stelle molto massicce:entrambe le dimensioni dei gruppi all'interno della nuvola e, come mostrano le nuove osservazioni, delle anime all'interno dei ciuffi e anche di alcune sottostrutture di anime sono come previsto dai calcoli della lunghezza di Jeans, senza bisogno di ingredienti aggiuntivi. Beuther commenta:"Nel nostro caso, la stessa fisica fornisce una descrizione uniforme. La frammentazione dalla scala più grande a quella più piccola sembra essere governata dagli stessi processi fisici".

Piccoli dischi di accrescimento:una nuova sfida

La semplicità è sempre un vantaggio per le descrizioni scientifiche. Però, le stesse osservazioni hanno anche fornito una scoperta che terrà gli astronomi sulle spine. Oltre a studiare la frammentazione, Beuther et al. aveva cercato di svelare la struttura delle stelle nascenti ("protostelle") all'interno della nuvola. Gli astronomi si aspettano che una simile protostella sia circondata da un vorticoso disco di gas, chiamato disco di accrescimento. Dal disco interno del cerchio, il gas cade sulla stella crescente, aumentandone la massa. Inoltre, i campi magnetici prodotti dal movimento del gas ionizzato e il gas stesso interagiscono per produrre flussi strettamente focalizzati chiamati getti, che sparano parte della materia nello spazio perpendicolare a quel disco. La luce submillimetrica proveniente da quelle regioni porta segni rivelatori ("allargamento Doppler delle righe spettrali") del movimento della polvere, che a sua volta traccia il moto del gas. Ma dove Beuther e i suoi collaboratori avevano sperato in una chiara firma da un disco di accrescimento, Invece, trovò principalmente la firma dei jet, tagliando un percorso relativamente liscio attraverso il gas circostante. Chiaramente, i dischi di accrescimento sono persino più piccoli di quanto gli astronomi si aspettassero:una sfida per le osservazioni future con una risoluzione spaziale ancora maggiore.