Il gas molecolare nelle galassie è organizzato in una gerarchia di strutture. Il materiale molecolare in gigantesche nuvole di gas molecolare viaggia lungo reti intricate di corsie di gas filamentose verso i centri congestionati di gas e polvere dove viene compresso in stelle e pianeti, proprio come i milioni di persone che si recano in città per lavoro in tutto il mondo.

Per comprendere meglio questo processo, un team di astronomi guidato da Jonathan Henshaw del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) ha misurato il movimento del gas che scorre dalle scale delle galassie fino alle scale dei gruppi di gas all'interno dei quali si formano le singole stelle. I loro risultati mostrano che il gas che scorre attraverso ciascuna scala è interconnesso dinamicamente:mentre la formazione di stelle e pianeti avviene sulle scale più piccole, questo processo è controllato da una cascata di flussi di materia che iniziano su scale galattiche. Questi risultati sono pubblicati oggi sulla rivista scientifica Astronomia della natura .

Il gas molecolare nelle galassie è messo in moto da meccanismi fisici come la rotazione galattica, esplosioni di supernova, campi magnetici, turbolenza, e gravità, modellare la struttura del gas. È difficile capire come questi movimenti abbiano un impatto diretto sulla formazione di stelle e pianeti, perché richiede la quantificazione del movimento del gas su una vasta gamma in scala spaziale, e quindi collegare questo movimento alle strutture fisiche che osserviamo. Le moderne strutture astrofisiche ora mappano regolarmente vaste aree del cielo, con alcune mappe contenenti milioni di pixel, ciascuno con centinaia o migliaia di misurazioni di velocità indipendenti. Di conseguenza, misurare questi movimenti è sia scientificamente che tecnologicamente impegnativo.

Per affrontare queste sfide, un team internazionale di ricercatori guidati da Jonathan Henshaw presso l'MPIA di Heidelberg ha deciso di misurare i movimenti del gas in una varietà di ambienti diversi utilizzando le osservazioni del gas nella Via Lattea e in una galassia vicina. Rilevano questi movimenti misurando la variazione apparente della frequenza della luce emessa dalle molecole causata dal movimento relativo tra la sorgente della luce e l'osservatore; un fenomeno noto come effetto Doppler. Applicando un nuovo software progettato da Henshaw e Ph.D. lo studente Manuel Riener (un coautore sul documento; anche a MPIA), il team è stato in grado di analizzare milioni di misurazioni. "Questo metodo ci ha permesso di visualizzare il mezzo interstellare in un modo nuovo, "dice Henshaw.

I ricercatori hanno scoperto che i movimenti del gas molecolare freddo sembrano fluttuare in velocità, ricorda nell'aspetto le onde sulla superficie dell'oceano. Queste fluttuazioni rappresentano il movimento del gas. "Le fluttuazioni in sé non sono state particolarmente sorprendenti, sappiamo che il gas si sta muovendo, " dice Henshaw. Steve Longmore, coautore dell'articolo, con sede alla Liverpool John Moores University, aggiunge, "Ciò che ci ha sorpreso è stato quanto fosse simile la struttura della velocità di queste diverse regioni. Non importava se stavamo guardando un'intera galassia o una singola nuvola all'interno della nostra galassia, la struttura è più o meno la stessa."

Per comprendere meglio la natura dei flussi di gas, il team ha selezionato diverse regioni per un attento esame, utilizzando tecniche statistiche avanzate per cercare le differenze tra le fluttuazioni. Combinando una varietà di misure diverse, i ricercatori sono stati in grado di determinare come le fluttuazioni di velocità dipendono dalla scala spaziale.

"Una caratteristica precisa delle nostre tecniche di analisi è che sono sensibili alla periodicità, " spiega Henshaw. "Se ci sono schemi ripetuti nei tuoi dati, come nuvole molecolari giganti equidistanti lungo un braccio a spirale, possiamo identificare direttamente la scala su cui si ripete lo schema." Il team ha identificato tre corsie di gas filamentose, quale, pur tracciando scale molto diverse, tutti sembravano mostrare una struttura approssimativamente equidistante lungo le loro creste, come perline su un filo, se si trattasse di nuvole molecolari giganti lungo un braccio a spirale o di minuscoli "nuclei" che formano stelle lungo un filamento.

Il team ha scoperto che le fluttuazioni di velocità associate alla struttura equidistante mostravano tutte uno schema distintivo. "Le fluttuazioni sembrano onde oscillanti lungo le creste dei filamenti, hanno un'ampiezza e una lunghezza d'onda ben definite, "dice Henshaw aggiungendo, "La spaziatura periodica delle nuvole molecolari giganti su larga scala o dei singoli nuclei di formazione stellare su piccola scala è probabilmente il risultato dell'instabilità gravitazionale dei loro filamenti genitori. Riteniamo che questi flussi oscillatori siano la firma del flusso di gas lungo i bracci a spirale. o convergendo verso i picchi di densità, fornendo nuovo carburante per la formazione stellare".

In contrasto, il team ha scoperto che le fluttuazioni di velocità misurate attraverso nuvole molecolari giganti, su scale intermedie tra intere nuvole e i minuscoli nuclei al loro interno, non mostrano una scala caratteristica evidente. Diederik Kruijssen, Il coautore dell'articolo con sede presso l'Università di Heidelberg spiega:"Le strutture di densità e velocità che vediamo nelle nuvole molecolari giganti sono 'senza scala', perché i flussi turbolenti di gas che generano queste strutture formano una cascata caotica, rivelando fluttuazioni sempre più piccole mentre ingrandisci, proprio come un broccolo romanesco, o un fiocco di neve. Questo comportamento senza scala si svolge tra due estremi ben definiti:la grande scala dell'intero cloud, e la piccola scala dei nuclei che formano le singole stelle. Ora troviamo che questi estremi hanno dimensioni caratteristiche ben definite, ma in mezzo a loro regna il caos."

"Immagina le nuvole molecolari giganti come mega-città equidistanti collegate da autostrade, " dice Henshaw. "Da una vista a volo d'uccello, la struttura di queste città, e le macchine e le persone che si muovono attraverso di loro, appare caotico e disordinato. Però, quando ingrandiamo le singole strade, vediamo persone che hanno viaggiato da ogni parte del mondo entrare in modo ordinato nei loro singoli edifici per uffici. Gli edifici per uffici rappresentano i nuclei di gas densi e freddi da cui nascono stelle e pianeti".