La reconstrucción 3D revela las actividades de formación estelar de dos nubes de polvo


Usando decenas de miles de estrellas observadas por la sonda espacial Gaia, los astrónomos de MPIA y Chalmers han revelado las formas 3D de dos grandes nubes moleculares de formación de estrellas, la Nube de California y la Nube de Orión A. En las imágenes 2D convencionales, aparecen con una estructura similar y contienen filamentos de polvo y gas con densidades aparentemente comparables. En 3D, sin embargo, se ven bastante distintos. De hecho, sus densidades son mucho más diferentes de lo que sugerirían sus imágenes proyectadas en el plano del cielo. Este resultado resuelve el antiguo misterio de por qué estas dos nubes forman estrellas a ritmos diferentes.

Imágenes 2D que muestran la distribución del polvo dentro de las nubes de California (arriba) y Orión A (abajo) en colores falsos. Los datos se han obtenido con el Telescopio Espacial Herschel. Crédito: Lombardi et al.

Las nubes cósmicas de gas y polvo son los lugares de nacimiento de las estrellas. Más específicamente, las estrellas se forman en los bolsillos más densos de dicho material. Las temperaturas descienden hasta casi el cero absoluto y el gas densamente empaquetado colapsa por su propio peso, formando finalmente una estrella. «La densidad, la cantidad de materia comprimida en un volumen dado, es una de las propiedades cruciales que determinan la eficiencia de la formación de estrellas», dice Sara Rezaei Khoshbakht. Es astrónoma del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, y autora principal de un nuevo artículo publicado hoy en The Astrophysical Journal Letters.

Mapa estelar de la región del cielo donde se encuentran las dos nubes moleculares, indicadas como elipses rojas. La Nube de California se extiende entre las constelaciones de Auriga y Perseo adyacentes a la Nebulosa de California (NGC 1499, parche verde). La Nube de Orión A cubre un área desde la Nebulosa de Orión (Messier 42) en la parte sur de la constelación de Orión a través de la estrella Saiph. Los círculos amarillos representan cúmulos estelares. Crédito: Dominic Ford (https://in-the-sky.org) / MPIA

En un estudio piloto descrito en este artículo, Sara Rezaei Khoshbakht y el coautor Jouni Kainulainen han aplicado un método que les permite reconstruir morfologías 3D de nubes moleculares en dos nubes gigantes de formación estelar. Kainulainen es un científico de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotemburgo, Suecia, que también solía trabajar en MPIA. Sus objetivos eran la Nube de Orión A y la Nube de California.

Por lo general, medir la densidad dentro de las nubes es difícil. «Todo lo que vemos cuando observamos objetos en el espacio es su proyección bidimensional en una esfera celeste imaginaria», explica Jouni Kainulainen. Es un experto en interpretar la influencia de la materia cósmica en la luz estelar y calcular densidades a partir de dichos datos. Kainulainen agrega: «Las observaciones convencionales carecen de la profundidad necesaria. Por lo tanto, la única densidad que generalmente podemos inferir de tales datos es la llamada densidad de columna».

La densidad de la columna es la masa añadida a lo largo de una línea de visión dividida por la sección transversal proyectada. Por lo tanto, esas densidades de columna no reflejan necesariamente las densidades reales de las nubes moleculares, lo cual es problemático cuando se relacionan las propiedades de las nubes con la actividad de formación estelar. De hecho, las imágenes de las dos nubes investigadas en este trabajo que muestran la emisión de polvo térmico aparentemente comparten estructuras y densidades similares. Sin embargo, sus tasas de formación estelar muy diferentes han desconcertado a los astrónomos durante muchos años.

En cambio, la nueva reconstrucción 3D ahora muestra que esas dos nubes no son tan parecidas después de todo. A pesar de la apariencia filamentosa que muestran las imágenes en 2D, la Nube de California es una lámina plana de material de casi 500 años luz de largo con una gran burbuja que se extiende por debajo. Por lo tanto, no se puede atribuir una sola distancia a la Nube de California, lo que tiene importantes repercusiones para interpretar sus propiedades. Desde nuestra perspectiva de la Tierra, está orientada casi de canto, lo que solo simula una estructura filamentosa. Como resultado, la densidad real de la hoja es mucho más baja de lo que sugiere la densidad de la columna, lo que explica la discrepancia entre las estimaciones de densidad anteriores y la tasa de formación de estrellas de la nube.

¿Y cómo se ve la nube Orion A en 3D? El equipo confirmó su densa estructura filamentosa vista en las imágenes 2D. Sin embargo, su morfología real también difiere de lo que vemos en 2D. Orión A es bastante complejo, con condensaciones adicionales a lo largo de la prominente cresta de gas y polvo. En promedio, Orión A es mucho más denso que la Nube de California, lo que explica su actividad de formación estelar más pronunciada.

Sara Rezaei Khoshbakht, también afiliada a la Universidad Tecnológica de Chalmers, desarrolló el método de reconstrucción 3D durante su doctorado. en el MPIA. Se trata de analizar la alteración de la luz estelar al atravesar esas nubes de gas y polvo medida por la sonda espacial Gaia y otros telescopios. Gaia es un proyecto de la Agencia Espacial Europea (ESA) cuyo objetivo principal es medir con precisión las distancias a más de mil millones de estrellas en la Vía Láctea. Esas distancias son cruciales para el método de reconstrucción 3D.

«Analizamos y correlacionamos la luz de 160.000 y 60.000 estrellas para las nubes de California y Orión A, respectivamente», dice Sara Rezaei Khoshbakht. Los dos astrónomos reconstruyeron las morfologías y densidades de las nubes con una resolución de solo 15 años luz. «Este no es el único enfoque que emplean los astrónomos para derivar estructuras de nubes espaciales», agrega Rezaei Khosbakht. «Pero el nuestro produce resultados sólidos y confiables sin artefactos numéricos».

Este estudio demuestra su potencial para mejorar la investigación de la formación estelar en la Vía Láctea al agregar una tercera dimensión. «Creo que un resultado importante de este trabajo es que desafía los estudios que se basan únicamente en los umbrales de densidad de columna para derivar las propiedades de formación estelar y compararlas entre sí», concluye Sara Rezaei Khoshbakht.

Sin embargo, este trabajo es solo el primer paso de lo que los astrónomos quieren lograr. Sara Rezaei Khoshbakht persigue un proyecto que finalmente producirá la distribución espacial del polvo en toda la Vía Láctea y descubrirá su conexión con la formación estelar.

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