När stjärnor med låg till medelvikt som vår sol närmar sig slutet på deras livscykler kastar de så småningom sina yttre lager och lämnar efter sig en tät vit dvärgstjärna. Dessa yttre lager blev ett massivt moln av damm och gas, som kännetecknas av ljusa färger och intrikata mönster, känd som en planetnebulosa. En dag kommer vår sol att förvandlas till en sådan nebulosa, en som kan ses från ljusår bort.
Denna process, där en döende stjärna ger upphov till ett massivt dammmoln, var redan känt för att vara otroligt vackert och inspirerande tack vare många bilder tagna av Hubble. Men efter att ha tittat på den berömda myra Nebula med European Space Agency's (ESA) Herschel Space Observatory, ett team av astronomer upptäckte en ovanlig laserutsläpp som antyder att det finns ett dubbelstjärnsystem i mitten av nebulosan.
Studien med titeln "Herschel Planetary Nebula Survey (HerPlaNS): vätekombination laserlinjer i Mz 3 ”, nyligen dykt upp i Månadsmeddelanden från Royal Astronomical Society. Studien leddes av Isabel Aleman från University of São Paulo och Leiden Observatory och inkluderade medlemmar från Herschel Science Center, Smithsonian Astrophysical Observatory, Institute of Astronomy and Astrophysics, och flera universitet.
Myrnebulan (alias Mz 3) är en ung bipolär planetnebula belägen i konstellationen Norma och tar sitt namn från de två loberna av gas och damm som liknar huvudet och kroppen hos en myra. Tidigare avbildades denna nebels vackra och komplicerade natur av NASA / ESA Hubble rymdteleskop. De nya data som Herschel erhållit indikerar också att Ant Nebula strålar intensiva laserutsläpp från dess kärna.
I rymden detekteras infraröda laserutsläpp vid mycket olika våglängder och endast under vissa förhållanden, och endast ett fåtal av dessa rymdlasrar är kända. Intressant nog var det astronomen Donald Menzel - som först observerade och klassificerade myrnebulan 1920 (varför den officiellt kallas Menzel 3 efter honom) - som var en av de första som antydde att laser skulle kunna uppstå i nebulosa.
Enligt Menzel, under vissa förhållanden skulle naturlig "ljusförstärkning genom de stimulerade strålningens utsläpp" (även där vi får termen laser från) inträffa i rymden. Detta var långt innan upptäckten av lasrar i laboratorier, ett tillfälle som firas årligen den 16 maj, känd som UNESCO: s internationella ljusdag. Som sådan var det mycket lämpligt att denna artikel också publicerades den 16 maj, för att fira laserutvecklingen och dess upptäckare, Theodore Maiman.
Som Isabel Aleman, huvudförfattare till ett papper, beskrev resultaten:
”När vi observerar Menzel 3 ser vi en otroligt intrikad struktur som består av joniserad gas, men vi kan inte se föremålet i dess centrum som producerar detta mönster. Tack vare känsligheten och det breda våglängdsområdet för Herschel-observatoriet upptäckte vi en mycket sällsynt typ av utsläpp som kallas vätekombinationslinjelaserutsläpp, vilket gav ett sätt att avslöja nebulans struktur och fysiska förhållanden. "
"Sådant utsläpp har bara identifierats i en handfull objekt förut och det är ett lyckligt tillfällighet att vi upptäckte den typ av utsläpp som Menzel föreslog i en av de planethjul som han upptäckte," tillade hon.
Den typ av laseremission som de observerade behöver mycket tät gas nära stjärnan. Genom att jämföra observationer från Herschel-observatoriet med modeller av planetnebulor fann teamet att densiteten för gasen som avger lasrarna var ungefär tio tusen gånger tätare än den gas som sågs i typiska planetnebulor och i loben på själva Ant Nebula.
Normalt är regionen nära den döda stjärnan - i det här fallet, ungefär avståndet mellan Saturnus och solen - ganska tomt eftersom dess material kastades ut efter att stjärnan gick supernova. All långvarig gas skulle snart falla tillbaka på den. Men som professor Albert Zijlstra, från Jodrell Bank Center for Astrophysics och en medförfattare till studien, uttryckte det:
”Det enda sättet att hålla så tät gas nära stjärnan är om den kretsar runt den på en skiva. I denna nebulosa har vi faktiskt sett en tät skiva i mitten som ses ungefär i kant. Denna orientering hjälper till att förstärka lasersignalen. Skivan antyder att det finns en binär följeslagare, eftersom det är svårt att få den utkastade gasen att gå in i bana om inte en följeslagare stjärna avleder den i rätt riktning. Lasern ger oss ett unikt sätt att undersöka skivan runt den döende stjärnan, djupt inne i planetnebulan. ”
Medan astronomer ännu inte har sett den förväntade andra stjärnan, är de hoppfulla att framtida undersökningar kommer att kunna lokalisera den och därmed avslöja ursprunget till Ant Nebulas mystiska lasrar. På så sätt kommer de att kunna koppla ihop två upptäckter (dvs planetens nebula och laser) gjorda av samma astronom för över hundra år sedan. Som Göran Pilbratt, ESA: s Herschel-projektforskare, lade till:
"Denna studie tyder på att den distinkta myrnebulan som vi ser den idag skapades av det komplexa naturen hos ett binärstjärnsystem, vilket påverkar formen, kemiska egenskaper och evolution i dessa slutliga stadier i en stjärns liv. Herschel erbjöd de perfekta observationsfunktionerna för att upptäcka denna extraordinära laser i myra nebulosan. Resultaten kommer att hjälpa till att begränsa förhållandena under vilka detta fenomen inträffar och hjälpa oss att förfina våra modeller för stellar evolution. Det är också en lycklig slutsats att Herschel-uppdraget kunde koppla ihop Menzels två upptäckter från nästan hundra år sedan. "
Nästa generationens rymdteleskop som kan berätta mer om planetnebulan och livscyklerna för stjärnor inkluderar James Webb rymdteleskop (JWST). När detta teleskop tar plats till rymden 2020 kommer det att använda sina avancerade infraröda kapaciteter för att se föremål som annars är dolda av gas och damm. Dessa studier kunde avslöja mycket om de inre strukturerna i nebulosor och kanske kasta ljus på varför de med jämna mellanrum skjuter ut ”rymdlasrar”.
