Gli astrofisici della Western University Els Peeters e Jan Cami e i ricercatori post-dottorato e laureati Ryan Chown, Ameek Sidhu, Baria Khan, Sofia Pasquini e Bethany Schefter sono stati tra i primi scienziati al mondo a utilizzare il telescopio spaziale James Webb (Webb) per la ricerca scientifica, e l'attenzione era rivolta alla formazione stellare.

"Il processo di formazione stellare è complicato perché le regioni di formazione stellare contengono stelle di masse diverse in diversi stadi del loro sviluppo mentre sono ancora immerse nella loro nube natale e perché sono in gioco molti processi fisici e chimici diversi che si influenzano a vicenda", ha affermato Peeters. , ricercatore principale del programma PDRs4All JWST Early Release Science (ID1288) e membro di facoltà nell'ambito del Western Institute for Earth and Space Exploration.

La formazione stellare è un campo molto attivo sia nell'astrofisica teorica che in quella osservativa e Webb si è rivelato fondamentale per ottenere informazioni dettagliate su questi processi.

"Non comprendiamo ancora appieno come questi processi scolpiscono o distruggono i dischi che formano i pianeti, né quando e come questi dischi vengono seminati con sostanze chimiche importanti per la vita. Questo è il motivo per cui facciamo quello che facciamo", ha detto Cami, direttore di Western's. Hume Cronyn Memorial Observatory e membro principale di PDRs4All.

Peeters è co-direttore del consorzio internazionale PDRs4All insieme a Emilie Habart dell'Università di Paris-Saclay, Francia e Olivier Berné dell'Università di Tolosa, Francia. Il consorzio PDRs4All è composto da oltre 120 ricercatori in tutto il mondo tra cui astronomi, fisici e chimici le cui competenze complementari consentono loro di sfruttare appieno la miniera d'oro di dati ottenuti con Webb, il telescopio più grande e potente mai lanciato nello spazio.

PDRs4All ha indirizzato Webb verso la Barra di Orione, nel profondo della famosa Nebulosa di Orione, e ha raccolto un tesoro di immagini e dati spettroscopici. L'obiettivo principale del programma è svelare i processi fisici e chimici dettagliati rilevanti per la formazione stellare e planetaria.

Insieme ai loro collaboratori internazionali, Peeters e Cami hanno pubblicato una serie di sei articoli sulla rivista Astronomy &Astrophysics che presenta una panoramica del loro lavoro fino ad oggi e il primo approfondimento sui dettagli essenziali di ciò che sta accadendo all'Orion Bar.

È questo il mio lato migliore?

Molti dei processi chiave nello spazio interstellare si verificano nelle cosiddette regioni di fotodissociazione (PDR, da cui il nome del programma PDRs4All) dove la fisica e la chimica sono completamente determinate dall'interazione tra la radiazione UV con gas e polvere. L'Orion Bar è il PDR più vicino a Webb che offre il suo lato più utile e fotogenico per studiare questi processi su piccola scala fisica.

"I dati sono incredibili e serviranno come punto di riferimento per la ricerca astrofisica per i decenni a venire", ha affermato Peeters. "Finora abbiamo esplorato solo una piccola parte dei dati e ciò ha già portato a numerose scoperte sorprendenti e importanti."

Nell'ultimo anno, PDRs4All ha pubblicato tre importanti studi pubblicati sulle riviste Nature , Astronomia naturale e Scienza .

"Ho avuto il piacere assoluto di studiare le straordinarie immagini di Webb in grande dettaglio", ha affermato Habart, che ha condotto il primo nuovo studio pubblicato oggi (14 maggio) su Astronomy &Astrophysicals . "Le immagini sono così incredibilmente belle e intricate; è facile capire perché così tante persone nel mondo siano rimaste sbalordite quando le hanno viste per la prima volta."

Con una massa 2.000 volte maggiore di quella del Sole e visibile a occhio nudo, la Nebulosa di Orione è la regione di formazione stellare massiccia più vicina ed è quindi uno degli oggetti più esaminati e fotografati della Via Lattea, nonché uno dei preferiti dal pubblico. oggetti nel cielo notturno.

Le immagini di Webb sono diverse da qualsiasi altro set, mozzafiato per gli incredibili dettagli che rivelano, mostrando tutti i tipi di filamenti e creste di diverse forme e colori, costellate da diversi piccoli dischi che formano pianeti.

All'interno della Nebulosa di Orione si trova la Barra di Orione, una struttura affilata, diagonale, simile a una cresta di gas e polvere. La barra di Orione è essenzialmente il bordo di una bolla astronomicamente grande scavata da alcune delle stelle massicce che alimentano la nebulosa.

"Gli stessi dettagli strutturali che conferiscono a queste immagini il loro fascino estetico rivelano una struttura più complicata di quanto pensassimo inizialmente, con gas e polvere in primo piano e sullo sfondo che rendono l'analisi un po' più difficile.

"Ma queste immagini sono di tale qualità che possiamo separare bene queste regioni e rivelare che il bordo della barra di Orione è molto ripido, come un enorme muro, come previsto dalle teorie", ha detto Habart.

Peeters, che è stato anche uno dei protagonisti della nuova serie di Astronomia e astrofisica hanno utilizzato i dati spettroscopici nel vicino IR della barra di Orion per portare la ricerca a un livello completamente nuovo.

"Queste immagini hanno un dettaglio così incredibile che le esamineremo per molti anni a venire", ha affermato.

Le osservazioni spettroscopiche dividono la luce in funzione del colore e rivelano molti picchi netti che sono impronte di diversi composti chimici nella luce infrarossa raccolta.

Un'analisi attenta di queste impronte digitali consente ai ricercatori di indagare sulla composizione chimica della nebulosa, ma c'è molto di più:diverse combinazioni di queste impronte digitali possono essere utilizzate per misurare la temperatura locale, la densità e l'intensità del campo di radiazione, e misurandole per ogni pixel, Peeters ha creato mappe di come queste quantità cambiano in tutta la Barra di Orione.

"Il set di dati spettroscopici copre un'area molto più piccola del cielo rispetto alle immagini, ma contiene moltissime informazioni in più. Un'immagine vale più di mille parole, ma noi astronomi diciamo solo un po' scherzando che uno spettro vale più di mille immagini, " ha affermato Peeters, che ha misurato non meno di 600 impronte digitali spettroscopiche e le ha utilizzate per migliorare notevolmente i modelli PDR esistenti.

I dati risultanti e i modelli PDR migliorati sono stati presentati nel secondo studio in Astronomia e astrofisica , guidato da Peeters.

"Ciò che rende l'Orion Bar davvero unica è la sua geometria edge-on, che ci offre una seduta sul lato dell'anello per studiare nei minimi dettagli i diversi processi fisici e chimici che avvengono mentre ci spostiamo dalla regione ionizzata, molto esposta e dura, a quella molto più regioni schermate dove si può formare gas molecolare," ha detto Cami.

"Questo articolo è un tour de force e il suo completamento ha richiesto uno sforzo titanico, oltre a rappresentare un passo avanti nella nostra comprensione di come i cambiamenti nell'ambiente fisico influenzino la chimica e viceversa."

Lasciare i dettagli nella polvere

Dopo aver delineato tutte le condizioni fisiche, il team PDRs4All ha rivolto la sua attenzione a un altro problema:quello delle emissioni di polveri. Precedenti osservazioni avevano già rivelato una forte variazione nell'emissione di polvere nella barra di Orione, ma l'origine di queste variazioni non era chiara e rappresentava un mistero che a lungo sconcertava gli astrofisici.

"I nitidi dati iperspettrali di Webb contengono molte più informazioni rispetto alle osservazioni precedenti, da indicare chiaramente l'attenuazione della radiazione da parte della polvere e l'efficiente distruzione delle particelle di polvere più piccole come causa alla base di queste variazioni", ha affermato l'Institut d'Astrophisique. Ricercatrice post-dottorato spaziale Meriem Elyajouri.

Elyajouri ha modellato l'emissione di polvere lungo il bordo illuminato dell'Orion Bar e ha condotto un terzo studio descrivendo i risultati del team.

I restanti tre articoli riguardano tutti l’emissione di grandi molecole contenenti carbonio note come idrocarburi policiclici aromatici (IPA), che rappresentano uno dei più grandi serbatoi di materiali carboniosi nell’universo. Gli IPA contengono fino al 20% di tutto il carbonio cosmico, il che li rende rilevanti per le nostre radici cosmiche.

"Stiamo studiando cosa succede alle molecole carboniose molto prima che il carbonio raggiunga i nostri corpi", ha affermato Cami.

L'emissione di IPA è tipicamente molto brillante e le molecole di IPA sono incredibilmente robuste e resistenti.

"Non sorprende quindi che risultino diffusi in tutto l'universo e si estendano su distanze cosmologiche così vaste. Studiarli in dettaglio nelle regioni vicine come la Barra di Orione, dove abbiamo una buona conoscenza dell'ambiente fisico e chimico locale, è quindi cruciale per interpretare le osservazioni di galassie lontane," ha detto Sidhu, un ex ricercatore post-dottorato occidentale.

I dati Webb mostrano le bande di emissione degli IPA in modo estremamente dettagliato e rivelano che le caratteristiche di emissione cambiano a causa delle radiazioni.

"È davvero una vergogna per la ricchezza", ha detto Peeters. "Anche se si ritiene che queste grandi molecole siano molto robuste, abbiamo scoperto che la radiazione UV modifica le proprietà generali delle molecole che causano l'emissione."

La radiazione UV infatti rompe alcune delle molecole di carbonio più piccole e cambia il modo in cui quelle più grandi si irradiano.

"In realtà si vedono dei cambiamenti quando si passa da questo ambiente molto duro ad ambienti più protetti", ha detto l'ex ricercatore post-dottorato occidentale Ryan Chown, che ha condotto il quarto studio.

L'apprendimento automatico si moltiplica

I risultati di Chown sono nuove scoperte importanti ma si basavano sull'analisi di sole cinque piccole regioni nell'Orion Bar che sono rappresentative dei diversi ambienti in tutto il Bar.

Sofia Pasquini, una studentessa del master supervisionata da Peeters, ha utilizzato tecniche di apprendimento automatico per analizzare l'emissione di IPA nell'intero set di dati costituito da molte migliaia di spettri. Anche lei ha scoperto che nelle regioni con più radiazioni UV, gli IPA sono generalmente più grandi, probabilmente perché quelli più piccoli vengono distrutti. Questa è la base del quinto studio.

"Le tecniche di apprendimento automatico utilizzate da Sofia per interpretare i dati estratti da migliaia di pixel producono essenzialmente lo stesso risultato che abbiamo ottenuto utilizzando le cinque regioni rappresentative utilizzando metodi più tradizionali", ha affermato Peeters. "Ciò ci dà grande fiducia che la nostra interpretazione sia più generalmente valida e quindi una conclusione più potente."

A quanto pare, ci sono più che semplici cambiamenti nelle dimensioni degli IPA. Anche Ilane Schroetter, ricercatrice post-dottorato dell’Università di Tolosa, in Francia, ha applicato ai dati tecniche di apprendimento automatico. Le sue scoperte, pubblicate nel sesto studio, confermano l'effetto delle radiazioni UV sulle dimensioni degli IPA ma hanno anche riscontrato cambiamenti molto chiari anche nella struttura delle molecole.

"Questi documenti rivelano una sorta di sopravvivenza del più adatto a livello molecolare negli ambienti più difficili dello spazio", ha affermato Cami.

Webb è il telescopio spaziale più potente della storia umana. Sviluppato in collaborazione con la NASA, l'Agenzia spaziale europea (ESA) e l'Agenzia spaziale canadese (CSA), vanta un iconico specchio largo 6,5 metri, costituito da un motivo a nido d'ape di 18 segmenti esagonali rivestiti in oro e un parasole a cinque strati a forma di diamante delle dimensioni di un campo da tennis.

In qualità di partner, CSA riceve una quota garantita del tempo di osservazione di Webb, rendendo gli scienziati canadesi tra i primi a studiare i dati raccolti dal telescopio spaziale più avanzato mai costruito.