Bild https://www.kyushu-u.ac.jp/en Illustration av jon-neutral drift i L1544:s prestellära kärna
De blå linjerna representerar magnetfältslinjerna, som böjs på grund av kärnans gravitations kontraktion. De röda och gröna prickarna visar jon- respektive neutrala molekylarter, och pilarna följer deras inflödesrörelse mot kärnans centrum (ju snabbare det sker desto längre är pilarna). Medan både jonerna och neutrala delarna är fästa vid magnetfältslinjerna i den inre delen av kärnan, kopplas de neutrala delarna bort från magnetfältslinjerna och faller snabbare än jonerna vilka förblir fästa vid fältlinjerna. Denna jonneutrala avkoppling, känd som ambipolär diffusion, krävs för att en gravitationskollaps av den prestellära kärnan ska uppstå, vilket kommer att producera en protostjärna i dess centrum och slutligen ett stjärnsystem liknande vårt eget solsystem.
Stjärnor som vår sol bildas genom kollapsen av stjärnobjekt kallade prestellära kärnor (tiden innan en stjärna bildas), kalla och täta koncentrationer av gas och damm som hålls samman av gravitationen. Även om många frågor kvarstår om de exakta mekanismerna bakom stjärnbildning, har forskare tack vare avancerade radioteleskop kunnat få ny kunskap om de inre mekanismerna hos unga stjärnor.
I en ny artikel i Astronomy & Astrophysics beskriver forskare vid Kyushu-universitetet och Max Planck-institutet för utomjordisk fysik för första gången upptäckten av ett fenomen känt som ambipolär diffusion som förekommer i en prestellar core. Detta fenomen leder till att kärnans magnetiska stöd försvagas vilket leder till gravitationskollaps och bildar början till en ny stjärna. En så kallad protostjärna. Dessa nya rön ger ytterligare insikt i de viktigaste processerna bakom tidig stjärnbildning och hur solsystem som vårt skapas.
" Pre-stellar_core är fascinerande stjärnkroppar. De är täta och kalla och en källa till mycket komplex kemi. Den kalla miljön gör det möjligt för molekyler att samlas till mer komplexa sådana och som föregångare till prebiotiska organiska molekyler," förklarar huvudförfattaren till ovan artikel Doris Arzoumanian biträdande professor vid Kyushu universitet Institutet för avancerade studier. "En av frågorna vi undersöker är magnetfältens roll i stjärnbildning. Starka magnetfält genomsyrar prestellära kärnor. Om det fältet är för starkt kan det fördröja gravitationskollaps och därmed stjärnbildning. Vi ville undersöka hur Pre-stellar_core minskar styrkan i sitt magnetfält."
Med hjälp av Institute for Radio Astronomy in the Millimeterre Range (IRAM) 30 m-teleskopet riktade forskarteamet blicken mot L1544, en Pre-stellar_core belägen i Taurus molekylmoln, en av de närmaste stjärnbildningsregionerna till jorden. I molekylmoln är gas delvis joniserad, vilket innebär att joner är starkt kopplade till magnetfält medan neutrala partiklar interagerar med fältet indirekt genom sammanslagningar. Att studera dessa molekyler är nyckeln till att förstå tillståndet hos kärnans magnetfält.
Men eftersom Pre-stellar_core är mycket kalla fryser de vanligaste molekylära spårämnena fast vid dammkorn och gör dem osynliga. Därför var teamet tvungna att spåra och identifiera en ny uppsättning molekyler.
"Vi valde Diazenylium-d1 (N2D+), en jon, och para-monodeuterata ammoniak (para-NH2D), en neutral molekyl som våra spårämnen eftersom de vanligtvis finns i liknande högdensitetsområden inom Pre-stellar_core," beskriver andra författaren Silvia Spezzano, gruppledare på Max Planck-institutet för utomjordisk fysik. "Vi samlade därför in spektraldata från kärnan och modellerade hastigheten för de två molekylerna."
De fann en tydlig hastighetsskillnad mellan molekylerna på cirka 0,05 km/s, vilket tolkades som bevis på jonneutral drift. När densiteten i den Pre-stellar_core ökar blir den skyddad från strålning och joniseringen minskar. Detta försvagar kopplingen mellan molekylerna och magnetfälten, och så småningom kopplar neutrala partiklar loss och driver inåt på grund av gravitationen, medan jonerna förblir bundna till magnetfältet. När de neutrala partiklarna faller mot kärnans centrum ökar de hastigheten medan jonerna förblir kopplade till magnetfältet, vilket orsakar hastighetsskillnaden.
"Denna process kallas ambipolar diffusion. Hittills har det varit en stor utmaning att observera detta fenomen i en Pre-stellar_core ," beskriver Arzoumanian. "När ambipolär diffusion fortsätter minskar styrkan i magnetfältet. Så småningom blir gravitationen den primära drivkraften i kärnan vilket resulterar i dess gravitationskollaps till en protostjärna."
Teamet hoppas kunna ytterligare bekräfta sina resultat genom att observera ytterligare Pre-stellar_core och kartlägga hastighetsdriften hos jon- och neutrala molekyler.
"Våra resultat var möjliga tack vare ett tvärvetenskapligt samarbete mellan expertobservatörer och teoretiker inom gas dynamics, astrochemistry, and dust physics," beskriver Arzoumanian. "Att förstå stjärnbildning besvarar en grundläggande fråga om livets ursprung i planetsystem och hjälper oss att bättre förstå universum som helhet."
