Cum se formează stelele? Norul molecular Orion

Să discutăm ce se întâmplă în regiunile de formare a stelelor, luând în considerare un sit din apropiere unde se formează stelele chiar acum. Una dintre cele mai bine studiate pepiniere stelare se află în constelația Orion, Vânătorul, la aproximativ 1500 de ani lumină distanță (Figura 21.3). Modelul vânătorului este ușor de recunoscut după „centura” vizibilă a trei stele care îi marchează talia. Norul molecular Orion este mult mai mare decât modelul stelar și este cu adevărat o structură impresionantă. În dimensiunea sa lungă, se întinde pe o distanță de aproximativ 100 de ani lumină. Cantitatea totală de gaz molecular este de aproximativ 200.000 de ori masa Soarelui. Cea mai mare parte a norului nu strălucește cu lumină vizibilă, dar își trădează prezența prin radiația pe care gazul prăfuit o emite la lungimi de undă infraroșu și radio.

Figura 21.3 Orion în vizibil și în infraroșu. (a) Grupul de stele Orion a fost numit după vânătorul legendar din mitologia greacă. Trei stele apropiate între ele într-o legătură marchează centura lui Orion. Anticii și-au imaginat o sabie atârnată de centură; obiectul de la capătul liniei albastre din această sabie este Nebuloasa Orion. (b) Această vedere cu unghi larg, în infraroșu, a aceleiași zone a fost realizată cu satelitul astronomic în infraroșu. Norii de praf încălziți domină în această imagine în culori false, iar multe dintre stelele care s-au remarcat în partea (a) sunt acum invizibile. O excepție este steaua rece, gigantică roșie, Betelgeuse, care poate fi văzută ca un punct gălbui la vârful stâng al triunghiului albastru (la axila stângă a lui Orion). Inelul mare și galben din dreapta lui Betelgeuse este rămășița unei stele explodate. Imaginea în infraroșu ne permite să vedem cât de mare și plin de material mai rece este cu adevărat norul molecular Orion. Pe imaginea cu lumină vizibilă din stânga, vedeți doar două regiuni colorate ale materiei interstelare – cele două pete galbene strălucitoare de la capătul din stânga și sub centura lui Orion. Cea de jos este Nebuloasa Orion, iar cea mai înaltă este regiunea Nebuloasei Cap de Cal. (Credit: modificarea lucrării lui NASA, lumină vizibilă: Akira Fujii; infraroșu: satelit astronomic în infraroșu)

Stelele din centura lui Orion au, de obicei, o vechime de aproximativ 5 milioane de ani, în timp ce stelele din apropierea mijlocului „sabiei” care atârnă de centura lui Orion au doar 300.000 până la 1 milion de ani. Regiunea de la jumătatea distanței în josul sabiei în care încă are loc formarea stelelor se numește Nebuloasa Orion. Aproximativ 2200 de stele tinere se găsesc în această regiune, care este doar puțin mai mare de o duzină de ani lumină în diametru. Nebuloasa Orion conține, de asemenea, un grup strâns de stele numit Trapez (Figura 21.5). Cele mai strălucitoare stele Trapez pot fi văzute cu ușurință cu un telescop mic.

Figura 21.4 Nebuloasa Orion. (a) Nebuloasa Orion este prezentată în lumină vizibilă. (b) Cu radiația în infraroșu apropiat, putem vedea mai multe detalii în nebuloasa prăfuită, deoarece infraroșul poate pătrunde în praf mai ușor decât poate lumina vizibilă. (Credit a: modificarea lucrării lui Filip Lolić; b: modificarea lucrării lui NASA/JPL-Caltech/T. Megeath (Universitatea din Toledo, Ohio))

Comparați acest lucru cu propriul nostru cartier solar, unde distanța tipică dintre stele este de aproximativ 3 ani lumină. Doar un număr mic de stele din clusterul Orion pot fi văzute cu lumină vizibilă, dar imaginile în infraroșu – care pătrund mai bine în praf – detectează cele peste 2000 de stele care fac parte din grup (Figura 21.5).

Figura 21.5 Regiunea centrală a Nebuloasei Orion. Nebuloasa Orion adăpostește unele dintre cele mai tinere stele din cartierul solar. În inima nebuloasei se află clusterul Trapez, care include patru stele foarte strălucitoare care furnizează o mare parte din energia care face ca nebuloasa să strălucească atât de puternic. În aceste imagini, vedem o secțiune a nebuloasei în (a) lumină vizibilă și (b) în infraroșu. Cele patru stele strălucitoare din centrul imaginii cu lumină vizibilă sunt stelele Trapez. Observați că majoritatea stelelor văzute în infraroșu sunt complet ascunse de praf în imaginea cu lumină vizibilă. (Credit a: modificarea lucrărilor lui NASA, C.R. O’Dell și S.K. Wong (Universitatea Rice); b: modificarea lucrării lui NASA; K.L. Luhman (Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică); și G. Schneider, E. Young, G. Rieke, A. Cotera, H. Chen, M. Observatorul, Universitatea SEE, Arizona)

Studiile despre Orion și alte regiuni de formare a stelelor arată că formarea stelelor nu este un proces foarte eficient. În regiunea Nebuloasei Orion, aproximativ 1% din materialul din nor a fost transformat în stele. De aceea, încă vedem o cantitate substanțială de gaz și praf lângă stelele Trapez. Materialul rămas este în cele din urmă încălzit, fie de radiațiile și vânturile de la stelele fierbinți care se formează, fie de exploziile celor mai masive stele. (Vom vedea în capitolele ulterioare că cele mai masive stele trec prin viața lor foarte repede și sfârșesc prin a exploda.)

Fie blând sau exploziv, materialul din vecinătatea noilor stele este aruncat în aer în spațiul interstelar. Grupurile mai vechi sau grupurile de stele pot fi acum ușor observate în lumină vizibilă, deoarece nu mai sunt învăluite în praf și gaz (Figura 21.6).

Figura 21.6 Westerlund 2. Acest grup tânăr de stele cunoscut sub numele de Westerlund 2 s-a format în regiunea de formare a stelelor Carina cu aproximativ 2 milioane de ani în urmă. Vânturile stelare și presiunea produsă de radiația de la stelele fierbinți din cadrul clusterului suflă și sculptează gazul și praful din jur. Nebuloasa conține încă multe globule de praf. Stelele continuă să se formeze în globulele mai dense și stâlpii nebuloasei. Această imagine a telescopului spațial Hubble include expuneri în infraroșu apropiat ale grupului de stele și observații în lumină vizibilă ale nebuloasei din jur. Culorile din nebuloasă sunt dominate de strălucirea roșie a hidrogenului gazos și de emisiile albastru-verde ale oxigenului strălucitor. (Credit: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA), A. Nota (ESA/STScI) și Westerlund 2 Science Team)

Deși nu știm ce a determinat inițial să înceapă formarea stelelor în Orion, există dovezi bune că prima generație de stele a declanșat formarea de stele suplimentare, care, la rândul lor, a condus la formarea a încă mai multe stele (Figura 21.7).

Figura 21.7 Propagarea formării stelelor. Formarea stelelor se poate deplasa progresiv printr-un nor molecular. Cel mai vechi grup de stele se află în stânga diagramei și s-a extins din cauza mișcărilor stelelor individuale. În cele din urmă, stelele din grup se vor dispersa și nu vor mai fi recunoscute ca un cluster. Cel mai tânăr grup de stele se află în dreapta, lângă norul molecular. Acest grup de stele are doar 1 până la 2 milioane de ani. Presiunea gazului fierbinte, ionizat care înconjoară aceste stele comprimă materialul din marginea apropiată a norului molecular și inițiază colapsul gravitațional care va duce la formarea mai multor stele.

Ideea de bază a formării stelelor declanșate este următoarea: atunci când se formează o stea masivă, aceasta emite o cantitate mare de radiații ultraviolete și ejectează gaz de mare viteză sub forma unui vânt stelar. Această injecție de energie încălzește gazul din jurul stelelor și îl determină să se extindă. Când stelele masive își epuizează combustibilul, ele explodează, iar energia exploziei încălzește și gazul. Gazele fierbinți se îngrămădesc în norul molecular rece din jur, comprimând materialul din el și crescând densitatea acestuia. Dacă această creștere a densității este suficient de mare, gravitația va depăși presiunea, iar stelele vor începe să se formeze în gazul comprimat. O astfel de reacție în lanț – în care cele mai strălucitoare și mai fierbinți stele dintr-o zonă devin cauza următoare a formării stelelor – pare să fi avut loc nu numai în Orion, ci și în mulți alți nori moleculari.

Există mulți nori moleculari care formează doar (sau în principal) stele de masă mică. Deoarece stelele cu masă mică nu au vânturi puternice și nu mor prin explozie, formarea de stele declanșate nu poate avea loc în acești nori. Există, de asemenea, stele care se formează relativ izolat în nuclee mici. Prin urmare, nu toată formarea stelelor este declanșată inițial de moartea stelelor masive. Cu toate acestea, este posibil să existe și alți posibili declanșatori, cum ar fi undele de densitate spirală și alte procese pe care încă nu le înțelegem.