Una ley turbulenta de formación estelar

Título: A Universal Turbulence-Regulated Star Formation Law: From Milky Way Clouds to High-Redshift Disk and Starburst Galaxies
Autores: Diane M. Salim, Christoph Federrath, Lisa J. Kewley
Institución del primer autor: Australian National University
Estado: Aceptado por Astrophysical Journal Letters
Astrobite original: por Jesse Feddersen

Las estrellas se forman cuando núcleos densos se colapsan dentro de nubes moleculares. Para medir la tasa de formación estelar en las nubes cercanas, como la nube molecular de Tauro, podemos contar el número de estrellas formadas recientes. Pero para medir la formación estelar en galaxias lejanas, no tenemos ese lujo.  Tenemos que confiar en las propiedades integradas – por ejemplo la emisión de H-alfa – para probar la tasa de formación en toda la galaxia.

Debido que las estrellas se forman de gas denso, hay una relación conocida entre la tasa de formación y la densidad del gas. La relación observada es la famosa Ley de Kennicutt-Schmidt.  Descrita (en inglés) en este astrobite, la ley Kennicutt-Schmidt se usa en modelos de evolución de galaxias para convertir la densidad del gas en tasas de formación estelar para comparar con las observaciones. Pero la ley Kennicutt-Schmidt solo relaciona la densidad media del gas de una galaxia con su tasa de formación estelar. En realidad, solo los cúmulos más densos en nubes grandes forman estrellas, por lo que un tratamiento más físico relacionaría la distribución de las densidades del gas con la tasa de formación estelar observada. Este es el objetivo de la obra de hoy: una ley de formación estelar más físicamente realista que funciona en nuestra galaxia y en todas las galaxias.

Turbulencia en nubes moleculares

Uno de los problemas primarios en la teoría de formación estelar tiene que ver con ¿por qué es tan ineficiente?  Solo el 1% del gas en las nubes moleculares se convierte en estrellas. La ley de formación estelar actualizada que los autores presentan se basa en el reciente consenso de que la turbulencia – los movimientos aleatorios de las partículas – es crucial para prevenir el colapso de un exceso de gas que formaría estrellas. Este astrobito tiene un video que muestra lo importante que es la turbulencia en la formación estelar, y este articulo (en inglés) es una imagen artística de la turbulencia.

¿Cómo definimos cuán turbulento es el gas? Una manera es el número Mach del gas. El número Mach es una medida del movimiento turbulento del gas comparado con la velocidad del sonido. Es posible medir el número Mach observando el ancho de las líneas espectrales de emisión (ver esta publicación histórica) de las moléculas como el monóxido de carbono. Un número Macho mayor implica que el gas es más turbulento, y también habrá un rango mayor en las densidades de gas en el nube. Por lo tanto, un número Mach mayor significa que el gas tendrá una densidad suficiente para colapsar en estrellas, lo que resulta en una tasa de formación estelar más alta. Esta relación entre número Mach y la varianza de la densidad forman la base para una nueva ley de formación estelar.

Contabilización de la turbulencia en la ley de formación estelar

Para comparar la tasa de formación estelar con la cantidad de consumo de gas esperada por la distribución de las densidad del gas – que se rige por la turbulencia – los autores ajustan las observaciones de las nubes en la Vía Láctea para determinar una nueva ley de formación estelar.  El gráfico de abajo muestra la ley Kennicutt-Schmidt (izquierda), que compara la densidad del gas con la tasa de formación estelar, y la nueva ley de formación estelar (derecha).  Debido a la variación del número Mach, la dispersión en la nueva relación se reduce en un factor de 3-4 en comparación a la ley Kennicutt-Schmidt.

Las leyes de formación estelar.  La ley Kennicutt-Schmidt está a la izquierda, y la nueva ley está a la derecha.  Los puntos representan las observaciones de las regiones de formación estelar en la Vía Láctea y la Pequeña Nube de Magallanes, que abarcan varios órdenes de magnitud en densidad del gas y la tasa de formación estelar.  Incluyendo la turbulencia a través del número Mach produce una relación más físicamente realista con menos dispersión.

¿Qué pasa con otras galaxias? 

En la Vía Láctea, el número Mach es determinado midiendo el ancho de la turbulencia y la temperatura del gas con mapas de alta resolución de las líneas moleculares de emisión. Hacer esto es muy difícil para otras galaxias. Pero invertiendo el razonamiento con el que se obtuvo la nueva ley de formación estelar, los autores pueden predecir el número Mach de estos sistemas lejanos si se ha medido la tasa de formación estelar y la densidad del gas. Específicamente, los autores predicen que las galaxias con brotes de formación estelar (“starburst”) y con alto corrimiento al rojo tienen más gas turbulento que las galaxias espirales locales.

Como Arthur Dent te puede decir, turbulencia es una bestia rara, pero un estudio profundo de este fenómeno es importante en entender cómo se convierte el gas en estrellas en nuestra galaxia y más allá.