Webb de la NASA estudiará cómo las explosiones de radiación de estrellas masivas influyen en sus entornos

La Nebulosa de Orión es una región del espacio formada por una nube de polvo y gas, a partir de la cual, se están creando estrellas masivas que emiten luz ultravioleta lejana. Esta radiación se propaga violentamente por la nube, calentando el polvo y gas, y en consecuencia, rompiendo moléculas e ionizando átomos y moléculas. Un equipo internacional que utiliza el telescopio espacial James Webb de la NASA, cuyo lanzamiento está programado para octubre, estudiará una parte de la nube radiada llamada Orion Bar para aprender más sobre la influencia que las estrellas masivas tienen en sus entornos, e incluso en la formación de nuestro propio sistema solar.

La Orion Bar es una característica diagonal, similar a una cresta, de gas y polvo en el cuadrante inferior izquierdo de esta imagen de la Nebulosa de Orión. Esculpida por la intensa radiación que recibe de las estrellas jóvenes y calientes cercanas, la Orion Bar parece tener la forma de una barra. Probablemente sea un prototipo de una región de fotodisociación o PDR.
Créditos:
Ciencia: NASA, ESA, Massimo Robberto (STScI, ESA), Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team.
Procesamiento de imágen: Alyssa Pagan (STScI).

“El hecho de que las estrellas masivas den forma a la estructura de las galaxias a través de sus explosiones como supernovas, se conoce desde hace mucho tiempo. Pero lo que se ha descubierto más recientemente es que las estrellas masivas, también influyen en sus entornos no solo como supernovas, sino a través de sus vientos y radiación durante sus vidas “, dijo uno de los principales investigadores del equipo, Olivier Berné, científico investigador del Centro Nacional Francés de Investigación Científica en Toulouse.

¿Por qué la Orion Bar?

La Orion Bar es una característica similar a una cresta de gas y polvo dentro de la espectacular Nebulosa de Orión. A poco más de 1.300 años luz de distancia, esta nebulosa es la región de formación estelar masiva más cercana al Sol. La Orion Bar está esculpida por la intensa radiación de estrellas cercanas, calientes y jóvenes, y a primera vista parece tener la forma de una barra. Es una “región de fotodisociación”, o PDR, donde la luz ultravioleta de estrellas jóvenes y masivas crea un área de gas y polvo mayoritariamente neutro, pero cálido, entre el gas completamente ionizado que rodea a las estrellas masivas y las nubes de las que nacen. Esta radiación ultravioleta influye fuertemente en la química de los gases de estas regiones y actúa como la fuente de calor más importante.

Los PDR ocurren donde el gas interestelar es lo suficientemente denso y frío como para permanecer neutral, pero no lo suficientemente denso como para evitar la penetración de la luz ultravioleta lejana de estrellas masivas. Las emisiones de estas regiones proporcionan una herramienta única para estudiar los procesos físicos y químicos que son importantes para la mayor parte de la masa entre las estrellas y alrededor de ellas. Los procesos de radiación y disrupción de la nube impulsan la evolución de la materia interestelar en nuestra galaxia y en todo el universo, desde la era temprana de formación estelar hasta la actualidad.

“El Orion Bar es probablemente el prototipo de un PDR”, explicó Els Peeters, otro de los investigadores principales del equipo. Peeters es profesor de la Universidad de Western Ontario y miembro del Instituto SETI. “Se ha estudiado extensamente, por lo que está bien caracterizado. Está muy cerca, y realmente se ve de borde. Eso significa que puedes sondear las diferentes regiones de transición. Y como está cerca, la transición de una región a otra es espacialmente distinta si tienes un telescopio con alta resolución espacial”.

La Orion Bar es representativa de lo que los científicos creen que fueron las duras condiciones físicas de las PDR en el universo hace miles de millones de años. “Creemos que en este momento, había ‘Nebulosas de Orión’ en todas partes del universo, en muchas galaxias”, dijo Berné. “Creemos que puede ser representativa de las condiciones físicas en términos de radiación ultravioleta en las llamadas ‘galaxias de explosión estelar’, que dominaban la era de formación de estrellas, cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual”.

La formación de sistemas planetarios en regiones interestelares irradiadas por estrellas jóvenes masivas sigue siendo una cuestión abierta. Las observaciones detalladas permitirían a los astrónomos comprender el impacto de la radiación ultravioleta en la masa y composición de estrellas y planetas recién formados.

En particular, los estudios de meteoritos sugieren que el sistema solar se formó en una región similar a la Nebulosa de Orión. Observar la barra de Orión es una forma de comprender nuestro pasado. Sirve como modelo para aprender sobre las primeras etapas de la formación del sistema solar.

Este gráfico muestra la naturaleza estratificada de una región de fotodisociación (PDR) como la barra de Orión. Anteriormente se pensaba que eran áreas homogéneas de gas y polvo calientes, pero ahora se sabe que los PDR contienen una estructura compleja y cuatro zonas distintas. El cuadro de la izquierda muestra una parte de la Orion Bar dentro de la nebulosa de Orión. El cuadro en la parte derecha ilustra una región de formación de estrellas masivas cuyas ráfagas de radiación ultravioleta están afectando a un PDR.
El cuadro de la parte inferior derecha amplía un PDR para representar sus cuatro zonas distintas: 1) la zona molecular, 2) el frente de disociación, 3) el frente de ionización y 4) el flujo de gas. Por primera vez, Webb podrá separar y estudiar las condiciones físicas de estas diferentes zonas.
Créditos: NASA, ESA, CSA, Jason Champion (CNRS), Pam Jeffries (STScI), PDRs4ALL ERS Team.
Como un pastel de capas en el espacio

Durante mucho tiempo se pensó que los PDR eran regiones homogéneas de gas y polvo calientes. Ahora los científicos saben que estas zonas están muy estratificadas, como un pastel de capas. En realidad, el Orion Bar no es para nada una “barra”. Contiene mucha estructura y cuatro zonas distintas. Estos son:

  • La zona molecular: una región fría y densa donde el gas se encuentra en forma de moléculas y el lugar donde podrían formarse estrellas.
  • El frente de disociación: el lugar donde las moléculas se descomponen en átomos a medida que aumenta la temperatura.
  • El frente de ionización: la zona donde el gas se despoja de electrones y se ioniza con el aumento drástico de temperatura.
  • El flujo de gas totalmente ionizado: es una región de hidrógeno atómico ionizado.

“Con Webb, podremos aislar y estudiar las condiciones físicas de las diferentes regiones, que son completamente diferentes”, dijo Emilie Habart, otra de las investigadoras principales del equipo. Habart es científica del Instituto Francés de Astrofísica Espacial y profesora titular de la Universidad Paris-Saclay. “Estudiaremos el paso de regiones muy calientes a regiones muy frías. Esta es la primera vez que podremos hacerlo”.

El fenómeno en estas zonas es muy parecido a lo que ocurre con el calor de una chimenea. A medida que se aleja del fuego, la temperatura desciende. De manera similar, el campo de radiación cambia con la distancia a la estrella masiva. De la misma forma, la composición del material cambia a diferentes distancias de la estrella. Con Webb, los científicos por primera vez resolverán cada región individual dentro de esa estructura en capas en el infrarrojo y la caracterizarán por completo.

Allanando el camino para futuras observaciones

Estas observaciones serán parte del programa Director’s Discretionary-Early Release Science, que gestiona los tiempos de observación para proyectos seleccionados al inicio de la misión del telescopio. Este programa permite a la comunidad astronómica aprender rápidamente cuál es la mejor manera de utilizar las capacidades de Webb, al mismo tiempo que proporciona el desarrollo de una ciencia sólida.

Uno de los objetivos del estudio de Orion Bar es identificar las características que servirán como “plantilla” para futuros estudios de PDR más distantes. A mayores distancias, las diferentes zonas pueden difuminarse. La información de la Orion Bar será útil para interpretar esos datos. Las observaciones de Orion Bar estarán disponibles para la comunidad científica en general poco después de su recopilación.

“La mayor parte de la luz que recibimos de galaxias muy distantes proviene de ‘Nebulosas de Orión’ situadas en esas galaxias”, explicó Berné. “Por lo tanto, tiene mucho sentido observar con gran detalle la Nebulosa de Orión que está cerca de nosotros, para luego comprender las emisiones provenientes de estas galaxias muy distantes que contienen muchas regiones similares a Orión”.

Solo es posible con Webb

Con su ubicación en el espacio, capacidad infrarroja, sensibilidad y resolución espacial, Webb brindará una oportunidad única para estudiar la Orion Bar. El equipo explorará esta región utilizando las cámaras y espectrógrafos de Webb.

“Es realmente la primera vez que tenemos una cobertura de longitud de onda y una resolución angular tan buenas”, dijo Berné. “Estamos muy interesados ​​en la espectroscopia porque ahí es donde ves todas las ‘huellas dactilares’ que te dan información detallada sobre las condiciones físicas. Pero también queremos que las imágenes muestren la estructura y organización de la materia. Cuando combinas la espectroscopia y las imágenes en este rango infrarrojo único, obtienes toda la información que necesitas para hacer la ciencia que nos interesa “.

El estudio incluye un equipo central de 20 miembros, pero también un gran equipo internacional e interdisciplinario de más de 100 científicos de 18 países. El grupo incluye astrónomos, físicos, químicos, teóricos y experimentales.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, observará más allá en mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en el. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

Edición: R. Castro.