Newswise — A team of astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) has completed the first census of molecular clouds in the nearby Universe, revealing that contrary to previous scientific opinion, these stellar nurseries do not all look and act the same. In fact, they’re as diverse as the people, homes, neighborhoods, and regions that make up our own world.  

Stars are formed out of clouds of dust and gas called molecular clouds, or stellar nurseries. Each stellar nursery in the Universe can form thousands or even tens of thousands of new stars during its lifetime. Between 2013 and 2019, astronomers on the PHANGS— Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS— project conducted the first systematic survey of 100,000 stellar nurseries across 90 galaxies in the nearby Universe to get a better understanding of how they connect back to their parent galaxies.

“We used to think that all stellar nurseries across every galaxy must look more or less the same, but this survey has revealed that this is not the case, and stellar nurseries change from place to place,” said Adam Leroy, Associate Professor of Astronomy at Ohio State University (OSU), and lead author of the paper presenting the PHANGS ALMA survey. “This is the first time that we have ever taken millimeter-wave images of many nearby galaxies that have the same sharpness and quality as optical pictures. And while optical pictures show us light from stars, these ground-breaking new images show us the molecular clouds that form those stars.”

The scientists compared these changes to the way that people, houses, neighborhoods, and cities exhibit like-characteristics but change from region to region and country to country.

“To understand how stars form, we need to link the birth of a single star back to its place in the Universe. It’s like linking a person to their home, neighborhood, city, and region. If a galaxy represents a city, then the neighborhood is the spiral arm, the house the star-forming unit, and nearby galaxies are neighboring cities in the region,” said Eva Schinnerer, an astronomer at the Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) and principal investigator for the PHANGS collaboration “These observations have taught us that the “neighborhood” has small but pronounced effects on where and how many stars are born.”

To better understand star formation in different types of galaxies, the team observed similarities and differences in the molecular gas properties and star formation processes of galaxy disks, stellar bars, spiral arms, and galaxy centers. They confirmed that the location, or neighborhood, plays a critical role in star formation.

“By mapping different types of galaxies and the diverse range of environments that exist within galaxies, we are tracing the whole range of conditions under which star-forming clouds of gas live in the present-day Universe. This allows us to measure the impact that many different variables have on the way star formation happens,” said Guillermo Blanc, an astronomer at the Carnegie Institution for Science, and a co-author on the paper.

"How stars form, and how their galaxy affects that process, are fundamental aspects of astrophysics," said Joseph Pesce, National Science Foundation’s program officer for NRAO/ALMA. "The PHANGS project utilizes the exquisite observational power of the ALMA observatory and has provided remarkable insight into the story of star formation in a new and different way." 

Annie Hughes, an astronomer at L’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), added that this is the first time scientists have a snapshot of what star-forming clouds are really like across such a broad range of different galaxies. “We found that the properties of star-forming clouds depend on where they are located: clouds in the dense central regions of galaxies tend to be more massive, denser, and more turbulent than clouds that reside in the quiet outskirts of a galaxy. The lifecycle of clouds also depends on their environment. How fast a cloud forms stars and the process that ultimately destroys the cloud both seem to depend on where the cloud lives.”

This is not the first time that stellar nurseries have been observed in other galaxies using ALMA, but nearly all previous studies focused on individual galaxies or part of one. Over a five-year period, PHANGS assembled a full view of the nearby population of galaxies. “The PHANGS project is a new form of cosmic cartography that allows us to see the diversity of galaxies in a new light, literally. We are finally seeing the diversity of star-forming gas across many galaxies and are able to understand how they are changing over time. It was impossible to make these detailed maps before ALMA,” said Erik Rosolowsky, Associate Professor of Physics at the University of Alberta, and a co-author on the research. “This new atlas contains 90 of the best maps ever made that reveal where the next generation of stars is going to form.”

For the team, the new atlas doesn’t mean the end of the road. While the survey has answered questions about what and where, it has raised others. “This is the first time we have gotten a clear view of the population of stellar nurseries across the whole nearby Universe. In that sense, it’s a big step towards understanding where we come from,” said Leroy. “While we now know that stellar nurseries vary from place to place, we still do not know why or how these variations affect the stars and planets formed. These are questions that we hope to answer in the near future."

Ten papers detailing the outcomes of the PHANGS survey are presented this week at the 238th meeting of the American Astronomical Society.

PHANGS-ALMA: Arcsecond CO(2-1) Imaging of Nearby Star-Forming Galaxies, Leroy et al. ApJS accepted, preview []

About ALMA

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of the European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere (ESO), the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the Ministry of Science and Technology (MOST) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.




en español

Los cartógrafos cósmicos mapean el Universo cercano revelando la diversidad de  galaxias con formación estelar
El estudio muestra que la composición y el ciclo de vida de las nubes de formación estelar dependen de su ubicación.

Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos ha completado el primer censo de nubes moleculares en el Universo cercano, revelando que, en contra de la opinión científica popular, no todas estas incubadoras  estelares tienen el mismo aspecto, ni actúan igual. De hecho, son tan diversas como las personas, los hogares, los barrios y las regiones que componen nuestro propio mundo. 

Las estrellas se forman a partir de nubes de polvo y gas llamadas nubes moleculares, o incubadoras estelares. Cada incubadora estelar en el Universo puede formar miles o incluso decenas de miles de nuevas estrellas durante su vida. Entre 2013 y 2019, los astrónomos del proyecto PHANGS -Physics at High Angular Resolution in Nearby GalaxieS o Física en alta resolución angular en galaxias cercanas- realizaron el primer estudio sistemático de 100.000 incubadora estelares en 90 galaxias del Universo cercano para comprender mejor cómo se conectan con sus galaxias madre.

"Solíamos pensar que todas las incubadora estelares de todas las galaxias debían ser más o menos iguales, pero este estudio ha revelado que no es así, y que las incubadoras estelares cambian de un lugar a otro", dijo Adam Leroy, Profesor Asociado de Astronomía de la Universidad Estatal de Ohio (OSU), y autor principal del artículo que presenta el estudio PHANGS de ALMA. "Esta es la primera vez que hemos tomado imágenes en ondas milimétricas de muchas galaxias cercanas que tienen la misma nitidez y calidad que las imágenes ópticas. Mientras las imágenes ópticas nos muestran la luz de las estrellas, estas nuevas e innovadoras imágenes nos muestran las nubes moleculares que forman esas estrellas".

Los científicos compararon estos cambios con el modo en que las personas, las casas, los barrios y las ciudades presentan características similares, pero cambian de una región a otra y de un país a otro.

"Para entender cómo se forman las estrellas, tenemos que relacionar el nacimiento de una sola de ellas con su lugar en el Universo. Es como relacionar a una persona con su casa, su barrio, su ciudad y su región. Si una galaxia representa una ciudad, entonces el barrio es el brazo espiral, la casa la unidad de formación estelar, y las galaxias cercanas son ciudades vecinas en la región", afirma Eva Schinnerer, astrónoma del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) e investigadora principal de la colaboración PHANGS. "Estas observaciones nos han enseñado que el "barrio" tiene efectos pequeños, pero pronunciados, sobre dónde y cuántas estrellas nacen". 

Para comprender mejor la formación estelar en diferentes tipos de galaxias, el equipo observó las similitudes y diferencias en las propiedades del gas molecular y los procesos de formación estelar de los discos de galaxias, las barras estelares, los brazos espirales y los centros de galaxias. Confirmaron que la ubicación, o vecindad, desempeña un papel fundamental en la formación estelar. 

"Al cartografiar diferentes tipos de galaxias y la diversa gama de entornos que existen dentro de estas, estamos trazando toda la sucesión de condiciones en las que viven las nubes de gas formadoras de estrellas en el Universo actual. Esto nos permite medir el impacto que tienen muchas variables diferentes en la manera en que se produce la formación de estrellas", dijo Guillermo Blanc, astrónomo del Instituto Carnegie para la Ciencia, y coautor del artículo.

"Cómo se forman las estrellas, y cómo su galaxia afecta a ese proceso, son aspectos fundamentales de la astrofísica", dijo Joseph Pesce, responsable del programa de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos para NRAO/ALMA. "El proyecto PHANGS utiliza el exquisito poder de observación de ALMA y ha proporcionado una notable visión de la historia de la formación estelar de una manera nueva y diferente". 

Annie Hughes, astrónoma de L'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), añadió que esta es la primera vez que los científicos tienen una imagen de cómo son realmente las nubes de formación estelar, en una gama tan amplia de galaxias diferentes. "Descubrimos que las propiedades de las nubes con formación estelar dependen de su ubicación: las nubes situadas en las densas regiones centrales de las galaxias tienden a ser más masivas, más densas y más turbulentas que las nubes que residen en la=os tranquilos suburbios de una galaxia. También, el ciclo de vida de las nubes depende de su entorno. La rapidez con la que una nube forma estrellas, y el proceso que finalmente la destruye, parecen depender del lugar donde vive la nube".

No es la primera vez que se observan incubadorass estelares en otras galaxias utilizando ALMA, pero casi todos los estudios anteriores se centraron en galaxias individuales o en parte de ellas. Durante un período de cinco años, PHANGS reunió una visión completa de la población cercana de galaxias. "El proyecto PHANGS es una nueva forma de cartografía cósmica que nos permite ver la diversidad de galaxias bajo una nueva luz, literalmente. Por fin estamos viendo la diversidad del gas formador de estrellas en muchas galaxias, y podemos entender cómo están cambiando con el tiempo. Antes de ALMA era imposible hacer estos mapas tan detallados", afirma Erik Rosolowsky, profesor asociado de Física de la Universidad de Alberta y coautor de la investigación. "Este nuevo atlas contiene 90 de los mejores mapas jamás realizados, los que revelan dónde se va a formar la próxima generación de estrellas".

Para el equipo, el nuevo atlas no significa el final del camino. Aunque el estudio ha respondido a preguntas sobre qué y dónde, también ha planteado otras. "Es la primera vez que obtenemos una visión clara de la población de incubadoras estelares en todo el Universo cercano. En ese sentido, es un gran paso para entender de dónde venimos", dijo Leroy. "Aunque ahora sabemos que las incubadoras estelares varían de un lugar a otro, todavía no sabemos por qué, o cómo estas variaciones afectan a las estrellas y planetas formados. Son preguntas que esperamos responder en un futuro próximo".

Diez trabajos que detallan los resultados del estudio PHANGS se presentan esta semana en la 238ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana.

Acerca de ALMA 

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación de la Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón, en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en nombre de sus Estados Miembros, por la NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MOST) y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son dirigidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en nombre de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y la operación de ALMA.

Journal Link: Astrophysical Journal Supplement