Een van de dichtstbijzijnde kweekplaatsen voor sterren, Rho Ophiuchi A (Foto's:  NASA/JPL-Caltech/Harvard-Smithsonian CfA. SOFIA/ HAWC+/ Northwestern University /F. Pereira Santos)

Vliegende NASA-telescoop biedt nieuwe inzichten in de geboorte van sterren

Een NASA-telescoop in een omgebouwde Boeing 747 heeft belangrijke nieuwe inzichten opgeleverd  in hoe nieuwe sterren gevormd worden van in elkaar klappend stof en gas. Uit de gegevens blijkt dat magnetische velden daarbij een belangrijke rol spelen, en in sommige gevallen de vorming van nieuwe sterren kunnen verhinderen. 

Astronomen gebruikten het HAWC+-instrument van het vliegende observatorium SOFIA om een van de dichtstbijzijnde "kweekplaatsen" van nieuwe sterren, Rho Ophiuchi, te bestuderen.  Dat gebied waar sterren gevormd worden, bevindt zich op 424 lichtjaren van ons zonnestelsel, vlakbij naar astronomische normen. 

In het centrale deel van de wolk, dat bekend staat als Rho Oph A, worden momenteel honderden jonge sterren gevormd, waarvan er veel waarschijnlijk sterren met een planetair systeem zoals het onze zullen worden.  

De camera HAWC+, High-resolution Airborne Wideband Camera, is gevoelig voor straling in het infrarode spectrum, en vooral voor de midden en verre infrarode golflengten. Uit gegevens van het instrument konden de onderzoekers afleiden dat de stofkorrels in de wolk zich gericht hadden naar de magnetische velden. (Grote foto bovenaan: links, een beeld van de NASA Spitzer-satelliet van Rho Ophiuchi, rechts een beeld van de HAWC+-camera waaruit systematische variaties blijken van de polarisatie in het ver infrarood van de instellaire wolk. Daaruit blijkt dat de stofkorrels zich richten naar het magnetisch veld.) 

Daarnaast ontdekten ze ook dat veranderingen in de manier waarop het stof zich gericht had naar de magnetische veldlijnen, nauw verband hielden met de dichtheid van de sterrenvormende wolk. In de delen met een grotere dichtheid,  waren de stofdeeltjes minder naar de veldlijnen gericht. Het is de eerste keer dat die fenomenen geobserveerd worden, SOFIA is dan ook een uniek instrument om dergelijke waarnemingen uit te voeren.  

De vorming van sterren begint met een wolk van gas en stof in de interstellaire ruimte (linksboven). In die wolk beginnen zich klonters te vormen (rechtsboven), en in die klonters vormen zich dichte kernen, de voorlopers van sterren (rechts midden). De kernen verdichten zich tot jonge sterren, omgeven door een schijf van stof (onder midden), en uit de schijf vormen zich planeten, een nieuw zonnestelesel is geboren (links midden). (Illustratie:  Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF)

Een van de grootste uitdagingen

"Begrijpen hoe sterren en planeten gevormd worden, is een van de grootste uitdagingen van de moderne astronomie", zei Fabio Santos, een van de onderzoekers van de Northwestern University in Evanston, Illinois. "We weten dat sterren en planeten gevormd worden in gigantische wolken van moleculair gas en stof, die voorkomen in het vlak van de Melkweg."

Het basisidee is dat deze wolken zich samentrekken door hun eigen zwaartekracht. Zo worden ze alsmaar dichter, geraken ze gefragmenteerd in gasachtige klonters, en uit die klonters worden dichte structuren gevormd die "kernen" genoemd worden.  Uit die dichte kernen van gas en stof worden dan jonge sterren geboren. 

Dat is het algemene principe, maar de moeilijkheden zitten in de details. "Het is een zeer gecompliceerd proces", zo zei doctor Santos aan de BBC. 

De HAWC+-camera staat voor de aangepaste SOFIA Boeing 747. (Foto: NASA) NASA

RAT (Radiative Alignement Torque)

De resultaten van het onderzoek ondersteunen een bestaande theorie die Radiative Alignment Torque genoemd wordt.

"De interstellaire stofkorrels hebben straling nodig om zich efficiënt op een lijn te stellen (met de magnetische velden)", zo zei Santos aan de BBC. "Verwacht wordt dat de korrels aan de buitenkanten van de wolk meer straling krijgen, en dus zouden ze beter op een lijn moeten liggen. Naarmate je naar de donkerdere delen van de wolk gaat, die een grotere dichtheid hebben, krijgen de korrels minder straling, en dus liggen ze niet meer erg goed op een lijn."

Bij de vorming van nieuwe sterren speelt de zwaartekracht, maar dus ook de magnetische velden zijn belangrijk. "De wolk heeft massa, en daardoor heeft ze ook zwaartekracht. Je zou dus kunnen denken dat ze gewoon samentrekt, en sterren creëert in haar binnenste. Maar er zijn meer zaken bij betrokken, en een van die dingen zijn de magnetische velden", zo zei Santos aan BBC-correspondent Paul Rincon. 

"Je kunt dat magnetisch veld beschouwen als een net van lijnen dat vermengd zit in het materiaal in de wolk. Telkens als de wolk zich samentrekt, brengt ze de magnetische veldlijnen dichter bij elkaar. Het magnetisch veld werkt dus als een soort van spanning die het materiaal samenhoudt."

"Het idee leeft dat, als je in bepaalde delen van het melkwegstelsel zeer sterke magnetische velden hebt, je een situatie kan tegenkomen waarin de zwaartekracht niet in staat zal zijn om die magnetische spanning te overwinnen, en dus zal je niet in staat zijn om sterren te vormen... de magnetische veldlijnen laten het materiaal niet toe in te storten", aldus Santos.

En aan het andere eind van het spectrum, zouden zwakkere magnetische velden in theorie wel overwonnen moeten worden door de zwaartekracht, zodat de vorming van sterren wel van start kan gaan. 

Sofia

De resultaten van de NASA werden verkregen met SOFIA, het Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. SOFIA is een sterk aangepaste Boeing 747SP die is uitgerust met een infrarode telescoop van 2,5 meter. 

Het vliegend observatorium is een samenwerking tussen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en het Duitse nationale onderzoekscentrum voor lucht- en ruimtevaart DLR (Deutsches Centrum für Luft- und Raumfahrt. Het is uitgerust met zeven verschillende instrumenten - camera's en spectrometers -, waarvan de camera HAWC+ de meest recente aanwinst is. 

De instrumenten worden door de Boeing naar de stratosfeer gevlogen, op hoogtes tot 13,7 kilometer, voor missies die tot tien uur kunnen duren. Die hoogte plaatst het observatorium boven 99 procent van de waterdamp op aarde, die infrarode golflengten belet van de grond te bereiken. SOFIA kan daardoor midden en verre infrarode golflengten bestuderen, van 28 tot 320 micron, en zo gegevens verzamelen die door geen enkel ander astronomisch observatorium op aarde of in de ruimte verkregen kunnen worden, ook niet door observatoria die nu in ontwikkeling zijn. 

"Het unieke scala aan instrumenten van SOFIA geeft onderzoekers de mogelijkheid om nieuwe inzichten te verwerven in het infrarode universum", zei Kimberly Ennico Smith, de verantwoordelijke voor SOFIA aan het NASA Ames Research Center in Mountain View, Californië, op de NASA-website. "We zien nu de resultaten van het meest recente instrument dat online gegaan is, de nieuwe High-resolution Airborne Wideband Camera (HAWC+), en ook van de geüpgradede German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies (GREAT/upGREAT). Deze werktuigen breiden onze kennis uit over hoe sterren gevormd worden, de impact van magnetische velden op deze processen, en de chemische bestanddelen die het ruwe materiaal vormen voor nieuwe sterren. "

De NASA heeft de resultaten voorgesteld op de 231e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Washington D.C. Naast de uiteenzetting van Fabio Santos over de polarisatie van stofkorrels en de invloed van magnetische velden bij de vorming van sterren, waren er ook uiteenzettingen over andere resultaten van het SOFIA-project, over hoe gas afkoelt in het interstellair medium, en hoe magnetische velden stellaire winden creëren rond zwarte gaten.  

Als SOFIA op de gewenste hoogte is gekomen wordt een achterdeur geopend om met de telescoop aan de slag te kunnen gaan (foto: NASA).