Pour trois ans, Jenny Calahan a mené des recherches avec d'autres étudiants de premier cycle à l'Université de l'Arizona (UA) pour aider à percer le mystère de la naissance des étoiles les plus massives de la galaxie.

Le 23 juillet, deux mois seulement après que Calahan a obtenu une licence en physique et astronomie, le document de recherche qui en a résulté, "À la recherche d'un afflux de candidats massifs sans étoiles identifiés dans l'enquête Bolocam Galactic Plane, " a été publié dans Le Journal d'astrophysique . Ses co-auteurs comprennent des étudiants qui ont participé à l'enquête et à la recherche.

"Il y a encore une question assez ouverte en astronomie quand il s'agit de la formation d'étoiles massives, " a déclaré Calahan. "Comment les étoiles pesant plus de huit masses solaires se forment-elles à partir de nuages ​​de poussière et de gaz?"

Les astronomes comprennent ce processus pour des étoiles de la taille de notre Soleil. Les particules dans les nuages ​​sont attirées les unes vers les autres et commencent à s'agglutiner. La gravité s'installe et les gaz s'écoulent vers le centre du nuage lorsqu'il s'effondre. Sur des millions d'années, le gaz est soumis à une pression telle qu'il commence à brûler, et l'étoile naît lorsque la fusion nucléaire commence enfin au cœur du gaz comprimé.

Les théories sur la quantité de gaz et le temps qu'il faut pour faire une étoile comme notre Soleil peuvent être prouvées par des observations, parce que chaque étape de la vie d'une étoile semblable au Soleil - de l'effondrement des nuages ​​de gaz en un noyau pré-stellaire à l'expansion de l'étoile en une géante rouge et son effondrement en une naine blanche - peut être observée dans toute la galaxie.

Mais les astronomes doivent encore comprendre comment se forment des étoiles plus de huit fois la masse de notre Soleil. Des étoiles de cette taille explosent en supernovae à la fin de leur vie, laissant derrière eux des trous noirs ou des étoiles à neutrons.

"Il existe quelques théories sur la formation d'étoiles massives qui fonctionnent dans les simulations, mais nous n'avons pas vu ces conditions initiales dans l'univers sauvage, ", a déclaré Calahan.

Une théorie est la formation de noyaux massifs, dit Yancy Shirley, professeur agrégé au département d'astronomie de l'UA. Les noyaux massifs sont des collections denses de gaz plusieurs fois plus grandes que l'étoile qu'ils créent. Pour les étoiles massives, les noyaux doivent avoir au moins 30 fois la masse de notre Soleil.

"Les gens ont du mal à trouver des objets comme ça, " dit Shirley.

L'autre théorie est que plusieurs noyaux de faible masse se forment dans un amas de gaz. Les noyaux de faible masse se développent au fur et à mesure qu'ils rivalisent pour la matière dans le bloc, et éventuellement, l'un des noyaux devient suffisamment gros pour former une étoile massive.

"C'est le débat :laquelle de ces deux images est la plus correcte, ou est-ce une combinaison des deux ?", a déclaré Shirley.

La première étape pour répondre à la question consiste à identifier la première phase de formation des étoiles, alors Calahan, sous les conseils de Shirley, a entrepris de trouver des touffes montrant des signes d'effondrement du mouvement du gaz, appelé « afflux ».

Calahan a sélectionné 101 sujets parmi une liste de plus de 2, 000 énormes, des nuages ​​de gaz froids et apparemment sans étoiles appelés candidats amas sans étoiles, ou SCC. Bien que les astronomes aient étudié les SCC dans le passé, beaucoup d'entre eux se sont concentrés sur les objets les plus brillants et les plus massifs. L'étude de Calahan était unique en ce qu'il s'agissait d'une enquête à l'aveugle.

D'une taille allant de quelques centaines de fois la masse de notre Soleil à quelques milliers de masses solaires, les SCC Calahan sélectionnés sont un échantillon représentatif de tous les nuages ​​de gaz qui ont le potentiel de former des étoiles massives.

En utilisant le radiotélescope de 12 mètres de l'Arizona Radio Observatory à l'observatoire Steward de l'UA à Kitt Peak, Calahan a détecté et suivi les ondes radio émises par le gaz moléculaire oxométhylium (HCO+), qui émet une longueur d'onde radio spécifique.

Une fois que Shirley et les étudiants de premier cycle qu'il conseille d'utiliser le télescope pour identifier des objets présentant un intérêt particulier, comme l'effondrement des SCC, les touffes d'intérêt sont ensuite étudiées plus avant à l'aide d'ALMA, qui peut scruter plus profondément dans le gaz et trouver des étoiles ou d'autres objets qui ne peuvent pas être vus avec le télescope de 12 mètres.

Oxométhylium, l'une des molécules d'ions les plus abondantes dans l'espace, est un ion hautement réactif qui ne survivrait pas dans l'atmosphère terrestre. Lorsque l'oxométhylium se déplace vers un observateur, les longueurs d'onde sont compressées; lorsque le gaz s'éloigne d'un observateur, les longueurs d'onde sont étirées.

En analysant les longueurs d'onde, Calahan a identifié six SCC qui ont montré les signes révélateurs de l'effondrement, suggérant que l'effondrement du gaz se produit rapidement, ne représentant que 6 % du processus de formation des étoiles massives.

"Un côté s'éloigne de nous et un côté s'effondre vers nous, ", a déclaré Calahan.

Les sondages prennent plusieurs dizaines d'heures. Calahan et Shirley ont passé 19 week-ends au cours de huit mois pour étudier les SCC.

"J'ai maintenant vu chaque partie de cette recherche, " a déclaré Calahan. " Je dois faire partie de la question, observer et faire la réduction des données."

Des groupes d'étudiants de premier cycle ont voyagé avec Calahan et Shirley jusqu'au télescope, où ils ont appris les techniques d'observation astronomique et d'analyse de données.

"La première fois que nous sommes montés, J'ai appris à utiliser le télescope et j'ai appris à analyser les données, " dit Calahan. " A la troisième fois, Je pourrais enseigner à d'autres étudiants."

Shirley a été conseillère auprès de plusieurs étudiants qui ont publié les recherches qu'ils ont menées à l'UA, mais Calahan est le premier de ses étudiants dont le papier a été accepté avant l'obtention du diplôme.

"Je ne pense pas que j'aurais pu faire ça dans une autre université, " a déclaré Calahan. "Nous avons les ressources et la faculté de nous apprendre à réduire les données réelles et à les observer sur un télescope réel. C'est vraiment unique à cette institution."