Meer dan de helft van alle sterren wordt geboren als leden van meerdere sterrensystemen, maar het proces van de vorming van meerdere sterren is nog niet goed begrepen. Daarom is het ontrafelen van het mysterie van het mechanisme voor de vorming van meerdere sterren erg belangrijk om een alomvattende theorie over stervorming op te stellen. Tot op heden zijn er verschillende scenario's voor de vorming van meervoudige sterren voorgesteld, en de discussies over scenario's over de vorming van sterren moeten nog convergeren.
Artistieke impressie van drie protosterren IRAS 04239+2436. Bron: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Om het vormingsproces van meerdere sterren te begrijpen, is het noodzakelijk om instrumenten met een hoge resolutie en hoge gevoeligheid, zoals ALMA, te gebruiken om direct het moment te observeren waarop meerdere protosterren (sterren in het proces van vorming) worden geboren. Bovendien rapporteren recente waarnemingen van protosterren vaak gasstructuren die 'stroomlijnen' worden genoemd, dit zijn gasstromen naar de protoster.
Het observeren van deze stroomlijnen is belangrijk omdat ze laten zien hoe de protoster gas absorbeerde en groeide, maar het is momenteel onduidelijk hoe deze stroomlijnen zijn ontstaan. Omdat gasstromen rond protosterren in meersterrensystemen naar verwachting complexe structuren zullen hebben, zijn gedetailleerde waarnemingen met behulp van de hoge resolutie van ALMA een krachtig hulpmiddel voor het bestuderen van de oorsprong van gasstromen.
Gasverdeling rond de ternaire protoster IRAS04239+2436, (links) SO-emissie waargenomen door ALMA, (rechts) numerieke simulatiereproductie door supercomputer ATERUI. Protosterren A en B, links in blauw weergegeven, vertegenwoordigen radiogolven van het stof rondom de protoster. Er wordt aangenomen dat er in Protostar A twee onopgeloste protosterren bestaan. In de afbeelding rechts worden de posities van de drie protosterren aangegeven door blauwe kruisen. Bron: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J.-E. Leeetaal. Leeetaal.
Gedetailleerde observaties en ontdekkingen
Het team heeft ALMA gebruikt om radiogolven te observeren die worden uitgezonden door zwavelmonoxide (SO)-moleculen rond het jonge meersterrensysteem IRAS04239+2436. IRAS04239+2436 is een "ternair protostersysteem", een systeem dat bestaat uit drie protosterren, ongeveer 460 lichtjaar van ons verwijderd. Het onderzoeksteam verwacht SO-moleculen te detecteren in het gebied waar de schokgolf plaatsvindt, en gewelddadige gasbewegingen rond de protoster te zien. Als resultaat van de waarneming ontdekten ze SO-moleculen die ongeveer driemaal zo groot waren als de protoster, en ontdekten ze dat de verdeling van SO-moleculen een grote spiraalarm vormde die zich uitstrekte tot wel 400 astronomische eenheden. Bovendien hebben ze met succes de snelheid verkregen van gas dat SO-moleculen bevat op basis van de frequentieverschuiving van radiogolven veroorzaakt door het Doppler-effect.
Op basis van de analyse van de gasbeweging ontdekten ze dat de spiraalarmen die door SO-moleculen werden gevolgd inderdaad stroomlijnen waren die naar de drievoudige protoster vloeiden. "Het meest diepgaande kenmerk van onze ALMA-beelden is de detectie van grote, goed gedefinieerde meerarmige structuren in de SO-straling", zegt Li, die het belang van de ontdekking uitlegt. ‘Mijn eerste indruk was dat deze structuren samen dansten en rond het centrale protostersysteem draaiden, maar later ontdekten we dat de spiraalarmen kanalen van materiaal zijn die kleine sterren voeden.’
Supercomputer "ATERUI" simuleert de vorming van meerdere sterren. De film laat zien dat meerdere protosterren worden geboren in filamenteuze turbulente gaswolken, die spiraalarmen prikkelen en het omringende gas verstoren terwijl ze bewegen. Bron: Tomaki Matsumoto, Takaaki Takeda, 4D2U-project, Nationaal Astronomisch Observatorium van Japan
Betekenis en vergelijkende analyse
Om de gasbeweging verder te bestuderen, vergeleek het onderzoeksteam de gassnelheid afgeleid van deze waarneming met de snelheid afgeleid van numerieke simulaties. Deze simulaties werden uitgevoerd met behulp van de voor astronomie toegewijde supercomputers "ATERUI" en "ATERUIII" bij het National Astronomical Observatory van het Japanse Center for Computational Astrophysics. In de simulatie vormden zich drie protosterren in de gaswolk, en het verstoorde gas rond de drie protosterren wekte schokgolven op in de vorm van spiraalarmen.
‘We ontdekten dat de spiraalarmen gasstromen richting de drie protosterren vertonen; zij zijn de stroomlijnen die het gas naar de protosterren voeren’, zegt Matsumoto, die leiding gaf aan de numerieke simulaties van het onderzoek. "De gesimuleerde gassnelheden komen goed overeen met de waarnemingen, wat aantoont dat numerieke simulaties inderdaad de oorsprong van de stroomlijnen kunnen verklaren."
Hybride schema voor de vorming van meersterren
Door observatiegegevens en numerieke simulatieresultaten te vergelijken, bestudeerde het team hoe deze drievoudige protoster werd geboren. Tot nu toe zijn er twee opties voor de vorming van meerdere sterren. Het eerste is het ‘turbulente fragmentatiescenario’, waarin een turbulente gaswolk uiteenvalt in gascondensaten, en elk condensaat evolueert tot een protoster. Het tweede is het ‘schijffragmentatiescenario’, waarbij de gasschijf rond een protoster fragmenteert om een nieuwe protoster te vormen, waardoor meerdere sterren ontstaan.
De hier waargenomen verdrievoudiging van het aantal protosterren kan worden verklaard door een hybride scenario waarin het stervormingsproces begint met een turbulente protogaswolk, vergelijkbaar met het turbulente fragmentatiescenario, en vervolgens nieuwe protosterzaden worden geproduceerd in de schijf, vergelijkbaar met het schijffragmentatiescenario, en de omringende gasturbulentie ervoor zorgt dat de spiraalarmen zich wijd uitstrekken. De waarnemingen lijken sterk op de simulaties, wat erop wijst dat de waargenomen triplet-protoster het eerste object is waarvan is bevestigd dat het via een mengschema meerdere sterren heeft gevormd.
‘Dit is de eerste keer dat de oorsprong van protosterren en meteoren gelijktijdig volledig is opgehelderd. De combinatie van ALMA-waarnemingen en simulaties is een krachtig hulpmiddel om de geheimen van stervorming te onthullen,’ zei Matsumoto.
Implicaties voor planeetvorming en toekomstig onderzoek
Li gelooft dat de studie ook licht werpt op de moeilijkheden bij planeetvorming in meersterrensystemen. Ze zei: "Planeten worden geboren in de schijf van gas en stof die zich rond de protoster heeft gevormd. In dit systeem met drie protosterren bevindt de protoster zich in een klein gebied, de schijf rond de protoster is klein en de protoster die rond de protoster draait, pelt de schijf weg van andere protosterren. Planeten worden gevormd in een langdurig rustige omgeving. Daarom is het onwaarschijnlijk dat IRAS04239+2436 een omgeving is die bevorderlijk is voor planeetvorming."
Matsumoto bespreekt de implicaties van dit onderzoek voor ons begrip van meervoudige stervorming. ‘De daadwerkelijke observatie van een zich vormend meersterrensysteem via een hybride schema zal een grote bijdrage leveren aan het oplossen van het debat over de vorming van meerdere sterren. Bovendien bevestigt deze studie niet alleen het bestaan van recentelijk opgemerkte stroomlijnen, maar legt ook uit hoe deze zich vormen, wat een grote vooruitgang betekent.’
Jeong-EunLee en anderen introduceerden dit onderzoek in het artikel "Triple spiral arms of triple spiral arms of triple protostar system afgebeeld door moleculaire lijnen", gepubliceerd in het Astrophysical Journal.