ALMA BOPS brengt magnetische velden in de Orionnevel in kaart

De ALMA B-field Orion Protostellar Survey (BOPS) is een observatieproject met hoge resolutie dat gebruikmaakt van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array om gepolariseerde stofemissie binnen het complex van de Orionnevel in kaart te brengen. Door zich te richten op ongeveer 57 tot 61 jonge protosterren op golflengten van 870 μm, onthult de survey de complexe magnetische veldstructuren op schalen van 400 tot 3000 au. Deze waarnemingen bieden een cruciale blik op hoe magnetische velden, zwaartekracht en dichtheid op elkaar inwerken om de vroegste stadia van de geboorte van sterren vorm te geven.

Al decennia lang draait een centraal debat in de astrofysica om de vraag of de inwaartse kracht van de zwaartekracht dan wel de uitwaartse druk van magnetische velden de vorming van sterren dicteert. Om dit "kosmische touwtrekken" te begrijpen, is het nodig om door het dichte gas en stof van moleculaire wolken heen te kijken waar sterren worden geboren. De Orionnevel dient als het ideale laboratorium voor dit onderzoek vanwege de nabijheid en de hoge concentratie van actieve stervormingsgebieden. Recente bevindingen uit de BOPS IV-studie, geschreven door Wenyu Jiao, Alvaro Sánchez-Monge en Bo Huang, bieden een aanzienlijke stap voorwaarts door de relatieve oriëntatie tussen deze onzichtbare krachten te kwantificeren.

Wat is de ALMA B-field Orion Protostellar Survey (BOPS)?

De ALMA B-field Orion Protostellar Survey (BOPS) is een observatieprogramma dat de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array gebruikt om gepolariseerde stofemissie in ongeveer 60 jonge protosterren in kaart te brengen. Door gebruik te maken van de 12-meter array in compacte configuraties, bereikt de survey een ruimtelijke resolutie van 0,8 bij 0,6 boogseconden, waardoor onderzoekers magnetische patronen zoals zandlopervormen en spiralen kunnen bestuderen op schalen van 400 tot 3000 au.

De BOPS IV-studie richt zich specifiek op acht jonge protostellaire omhullingen binnen de Orionnevel. Door waarnemingen te doen op 870 μm kan het team de optische verduistering door kosmisch stof omzeilen en de diepe kern van deze stellaire kraamkamers bereiken. Deze specifieke golflengte is essentieel omdat deze de thermische emissie van stofkorrels opvangt, die zich loodrecht op lokale magnetische velden uitlijnen en zo effectief fungeren als "kompasnaalden" die het magnetische landschap in kaart brengen. De onderzoekers analyseerden kolomdichtheidskaarten om te bepalen hoe massa is verdeeld en hoe die verdeling correleert met de richting van het magnetische veld.

Deze systematische survey betekent een belangrijke verschuiving van individuele casestudy's naar een bredere statistische analyse. Door meerdere protosterren tegelijkertijd te onderzoeken, kan het BOPS-team universele patronen identificeren die stervorming in verschillende omgevingen aansturen. De verzamelde gegevens bieden een natuurgetrouwe weergave van protostellaire omhullingen, de overgangsgebieden tussen de grootschalige moleculaire wolk en de kleinschalige schijf waar uiteindelijk planeten worden gevormd. Dit tussengebied is de plek waar de interactie tussen zwaartekracht en magnetisme het meest intens en het minst begrepen is.

Bepalen zwaartekracht of magnetisme de stervorming in de Orionnevel?

Stervorming in de Orionnevel wordt bepaald door het gezamenlijke samenspel van zwaartekracht en magnetisme in plaats van door een enkele dominante kracht. Onderzoek wijst uit dat terwijl de zwaartekracht het ineenstorten van gas aandrijft, de magnetisatiegraad van de omhulling de uiteindelijke vorm bepaalt, waarbij sterk gemagnetiseerde regio's loodrechte uitlijningen behouden en zwak gemagnetiseerde gebieden parallelle configuraties vertonen.

Het BOPS IV-onderzoek suggereert dat kolomdichtheid — de hoeveelheid materie gepakt in een specifiek gebied — niet als enige bepaalt hoe een magnetisch veld zich zal gedragen. Traditioneel werd gedacht dat naarmate de dichtheid toenam en de zwaartekracht de overhand nam, het magnetische veld onvermijdelijk in een specifieke uitlijning zou worden getrokken. Jiao et al. ontdekten echter dat de magnetisatiegraad van de omhulling een rol speelt die even cruciaal is als de dichtheid. In omgevingen waar het magnetische veld sterk is, weerstaat het de aantrekkingskracht van de zwaartekracht en blijft het loodrecht op de dichte structuren van de omhulling staan, zelfs bij gematigde dichtheden.

Omgekeerd werden in zwak gemagnetiseerde omhullingen parallelle of willekeurige uitlijningen waargenomen. Dit suggereert dat bij afwezigheid van een sterk magnetisch "anker" het gas vrijer kan bewegen en de magnetische veldlijnen gemakkelijker worden verdraaid of overmand door turbulente gasbewegingen. Deze genuanceerde bevinding impliceert dat sterren niet allemaal via hetzelfde mechanische proces ontstaan; het initiële magnetische "budget" van de kern van een moleculaire wolk kan het volledige evolutiepad van de resulterende protoster en zijn planetenstelsel bepalen.

Hoe onthult stofcontinuümemissie verborgen kosmische structuren?

Stofcontinuümemissie op 870 μm onthult verborgen kosmische structuren door de thermische straling van stofkorrels te volgen die evenredig is aan de massakolomdichtheid. Deze submillimeter-emissie dringt door dichte, optisch dikke gebieden heen, waardoor ALMA de interne architectuur van protostellaire omhullingen in kaart kan brengen op schalen van 1000 au waar optisch licht volledig wordt geblokkeerd.

De methodologie die door de onderzoekers werd gebruikt, concentreerde zich op het Histogram van Relatieve Oriëntaties (HRO). Dit statistische hulpmiddel stelt wetenschappers in staat om de richting van het magnetische veld te vergelijken met de gradiënt van de kolomdichtheid. Als de veldlijnen parallel lopen aan de dichtheidsstructuren, suggereert dit dat het gas langs de magnetische lijnen stroomt. Als ze loodrecht staan, suggereert dit dat het magnetische veld sterk genoeg is om de gravitationele ineenstorting te weerstaan en fungeert als een structurele "rib" die de omhulling ondersteunt tegen verdere compressie.

Door HRO toe te passen op de data van de 870 μm continuümemissie, kon het BOPS-team deze relaties met wiskundige precisie kwantificeren. De bevindingen toonden aan dat de uitlijning een dynamische eigenschap is. Omdat stofkorrels gepolariseerd licht uitzenden wanneer ze door magnetische velden worden uitgelijnd, konden de onderzoekers onderscheid maken tussen de oriëntatie van de materie (de dichtheid) and de oriëntatie van de kracht (het magnetische veld). Deze dubbele cartografie is de enige manier om de "onzichtbare hand" van het magnetisme die de zichtbare kosmos vormgeeft, te visualiseren.

De rol van magnetisatie in de morfologie van de omhulling

Magnetisatiegraden fungeren als een primaire architect voor de vorm van de omgeving van een jonge ster. De BOPS IV-studie benadrukt dat de mate van magnetische ondersteuning aanzienlijk varieert, zelfs tussen protosterren die zich in hetzelfde gebied bevinden. Deze variatie verklaart waarom sommige protosterren verschijnen als nette, symmetrische omhullingen, terwijl andere complexe, ongeordende configuraties vertonen. Het onderzoek wees uit dat:

• Sterk gemagnetiseerde omhullingen: Behouden een loodrechte oriëntatie tussen het magnetische veld en de dichtheidsgradiënten over een breed scala aan dichtheden.
• Zwak gemagnetiseerde omhullingen: Vertonen meer chaotische of parallelle uitlijningen, wat suggereert dat zwaartekracht of turbulentie de overhand heeft.
• Koppeling van krachten: De overgang tussen deze toestanden is geen eenvoudige functie van dichtheid, wat wijst op een complexer magnetohydrodynamisch (MHD) proces.

Implicaties voor de toekomst van stellair onderzoek

De resultaten van de BOPS IV-survey hebben diepgaande gevolgen voor de huidige modellen van stervorming. De meeste theoretische modellen hebben moeite om het relatieve belang van magnetische velden en turbulentie in evenwicht te brengen. Door empirische gegevens te verstrekken op de schaal van 10^3 au, helpt dit onderzoek de kloof te overbruggen tussen de fysica van wolken op grote schaal en de fysica van accretieschijven op kleine schaal. Het suggereert dat magnetische velden niet slechts een secundair effect zijn, maar vanaf het prille begin fundamenteel zijn voor de morfologie van de omhulling.

In de toekomst streven het BOPS-team en andere onderzoekers die gebruikmaken van ALMA ernaar om deze waarnemingen uit te breiden naar nog meer protosterren. Toekomstige studies zullen zich waarschijnlijk richten op hoe deze magnetische oriëntaties evolueren naarmate de protoster uitgroeit tot een volwaardige ster. Het begrijpen van de "magnetische geschiedenis" van een ster zou uiteindelijk kunnen onthullen waarom sommige sterren enorme planetenstelsels ontwikkelen terwijl andere dat niet doen. De Orionnevel zal een centraal punt blijven voor deze studies en dienen als het ultieme venster op de geboorte van de sterren die ons universum verlichten.