Danske forskere opklarer mysterium om stjernedannelse

Hvis det ydre rum var en skolegård, ville mobbeofferet være en stjerne, og skolens bølle ville hedde ’magnetisme’.

Magnetisme er rigtig led. Hvis det stod til ham, skulle stjernerne i første omgang aldrig have lov til at blive født. Han er i øvrigt også fej; han banker nemlig ikke selv sit mobbeoffer, men sørger i stedet for at holde hende fast, indtil hans medsammensvorne, supernovaer, kommer og gør det af med hende.

Men stjerner fødes jo som bekendt alligevel, ellers ville nattehimlen ikke være fyldt med lysende prikker. Takket være et nyt studie fra Aarhus Universitet, forstår vi nu, hvordan det kan lade sig gøre, når nu magnetisme og supernovaer kæmper så indædt for det modsatte.

»Det er let at forklare, hvorfor stjerner i teorien ikke kan dannes. Men det kan de jo. Med hånden på hjertet kan jeg sige, at vi har været ret forvirrede over, hvad der reelt foregår,« fortæller professor emeritus David Field.

Han er hovedforfatter på det nye studie, hvor han viser, hvordan et grundlæggende fysisk fænomen kan opstå i en stjernetåge og ændre tidsrammen for en stjernes opståen fra 2 millioner år – til 200.000 år.

Bare rolig, du skal ikke begribe det hele endnu. Kom, så tager vi det ét skridt ad gangen:

En stjernes død kan sætte en stopper for en andens fødsel

En stjernes fødsel begynder i store skyer af gas og støv i galakser, hvor molekyler og støvkorn begynder at trække sig tættere og tættere sammen.

Presset stiger og stiger, indtil stjernen så at sige ’tænder’ som følge af et enormt pres og ekstreme temperaturer fra tyngdekraftens konstante pres. I mellemtiden er der dog én kæmpe faktor, der arbejder imod kollapset, som skaber stjernen – nå ja, du har jo allerede mødt magnetisme.

»Forestil dig en stor, luftig bold, som er helt let og luftig længst ude og bliver tættere og tættere, jo længere man kommer ind mod midten. Materialet bliver tættere og tættere takket være tyngdekraften, som trækker partiklerne sammen, men magnetfeltet bremser denne proces,« forklarer David Field.

Hidtil har forskerne ikke kunnet få magnetismens enorme modstandskraft til at stemme overens med, hvor hurtigt en stjerne blev dannet.

Hvis teorierne skulle passe, skulle det tage omkring to millioner år for en stjerne at blive til. Men det er alt for lang tid, hvis ikke en anden stjerne i mellemtiden skal risikere at takke af og eksplodere ud i sit endeligt i en supernovaeksplosion, hvilket gennemsnitligt sker et eller andet sted i galaksen hvert 50. år.

Turbulensen, som en supernova forårsager, er nemlig nok til flå partiklerne i den tilblivende stjerne fra hinanden igen.

Én stjernes død kan således blive stopklodsen for en anden stjernes fødsel.

Spontelectrics: Elektricitet, der opstår ud af ingenting

David Field er fysiker og interesserer sig for al fysik mellem himmel og jord. Helt bogstaveligt har han publiceret artikler om alt fra de mindste til de største fysiske fænomener.

»Jeg leder altid efter sammenhænge, og der er mange fænomener i fysikkens verden, som går igen i det ydre rum. De to har mange ting tilfælles,« siger David Field, som er professor emeritus ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

I 2009 gjorde han en utrolig opdagelse på det helt elementære fysiske plan; han og hans kollegaer opdagede nemlig et nyt elektrisk fænomen.

Fænomenet, som går under navnet 'spontelectrics', er en elektrisk form af faste stoffer, som opstår spontant i almindelige materialer. Det gælder for eksempel kulilte, propan, toluen og metylformat – når materialerne vel at mærke bliver frosset ned til isnende kolde temperaturer og optræder i mikroskopisk tynde lag.

Tænk lige over det engang; elektricitet, der opstår ud af ingenting. Det er ret utroligt.

Dengang kaldte David Field det selv for grundvidenskab. En anden forsker bemærkede, at der typisk går mange år, før man finder ud af, hvad den slags videnskabelige opdagelser egentlig kan bruges til.

Om syv år er mange, kan du selv få lov til at bedømme, men ikke desto mindre skulle 2016 blive året, hvor vi forstod, hvordan ’spontelectrics’ kan gøre os klogere på stjernedannelse.

Spontelectrics kommer stjernen til undsætning

Tilbage i skolegården driller det magnetiske felt stadig den lille stjerne, som er i gang med at blive dannet lige midt i gården. I virkeligheden er det faktisk for tidligt at kalde den en stjerne, for den findes jo ikke endnu – i stedet kalder man skolegårdens midte for den ’præstellare kerne’.

Her, i midten, er der koldt – rigtig koldt. Omkring minus 250 grader. Lige sådan en dag, hvor man har lyst til at skippe frikvarteret.

Heldigvis har den nye stjerne en ven i nøden. Han har ikke gået på skolen så længe, så der er ikke ret mange, der kender ham – men han elsker ekstrem

kulde og er stærk nok til at ændre de kemiske reaktioner i skolegården.

Stjernens ven hedder ’spontelectrics’, og i skolegården er der de helt rette betingelser for hans eksistens: ekstremt kolde temperaturer, vakuum – og så en farlig masse kulilte-molekyler. I fysikken kalder man kulilte for CO, og i skolegården er der så koldt, at kulilten er frosset fast på overfladen af nogle støvpartikler.

Spontelectrics går lige efter magnetismens svage punkt: hans forkærlighed for ioner.

Elektrisk udladning fjerner magnetismens modstand

Allerede i 2009 havde David Field på fornemmelsen, at hans nye opdagelse ville kunne bruges til at forklare, hvorfor stjerner kan dannes så hurtigt.

Godt nok havde han og hans kollegaer på daværende tidspunkt ikke målt fænomenet på kulilte, som findes i store mængder i stjernetåger, men det var bare et spørgsmål om tid. Kulilte så nemlig ud til at have de helt rigtige egenskaber for at kunne skabe den spontelektriske effekt under de rette omstændigheder.

»Vi vidste, at disse molekyler er asymmetriske, og det er en forudsætning for, at de kan være spontelektriske. Det slog mig, at støvmolekylerne i stjernetågerne måske også dannede spontelectrics, og at det kunne løse tidsaspektet i stjernernes opståen for os.«

Derfor opsatte David Field og hans kollega Martin McCoustra et laboratorieeksperiment, som havde til hensigt at efterligne omstændighederne i en stjernetåge; og ganske rigtigt: Da kulilten blev nedkølet til minus 253 grader, opstod spontelectric-fænomenet. En elektrisk udledning, der fjerner magnetismens modstand i stjernestøvet.

For at forstå hvorfor, skal vi et sidste smut tilbage til skolegården.

Det magnetiske felt mister sine ioner

Magnetisme er begyndt at ryste lidt i bukserne, for han ved godt, at spontelectrics er ude efter hans ioner. Han klamrer sig til sine kære elektrisk ladede atomer, men lige meget nytter det – herfra går det hurtigt:

Støvpartiklerne, som er positivt ladede, tiltrækker elektroner fra skolegården, og de negative ioner følger med. Når elektronerne og ionerne mødes på overfladen af støvpartiklerne, neutraliserer de hinanden.

Ionerne er magnetismens vigtigste holdepunkt i skolegården, og uden dem mærker han sit greb løsne sig.

Efter 200.000 år tager han benene på nakken og forsvinder helt. Det lyder måske af lang tid, men sammenlignet med 2 millioner år er sølle 200.000 år nærmest ingenting. Stjernen kan dannes. En ny lysende prik på himlen er blevet til.

Nogle år efter de alle er gået ud af skolen, lægger en supernova måske vejen forbi, men nu har stjernen vokset sig stor, at den ikke længere bliver påvirket af det. Nu er en anden lille, fremtidig stjerne blevet det nye mobbeoffer. Sådan går livet sin gang, også i rummet.

Kollega: Det er et supereksperiment

»Hvis man overfører resultatet, hvor kulilten er spontelektrisk, til stjernetågen, giver det cirka fem til 10 gange færre ioner, end man normalt forventer at finde. Kulilten trækker simpelthen ioner ud af stjernetågen. Det betyder, at det tidsrum, det tager at eliminere magnetismen fra tågen, reduceres voldsomt. Det er her, vi virkelig bliver spændte, for nu har vi en tidsramme, der passer til levetiden af observerede stjernetåger. Før var tidsrammen fem til ti gange for lang, så vi havde ikke et holdbart svar på, hvordan stjernedannelsen hænger sammen. Det gør det nu!« siger David Field.

Fra astrofysiker Anja C. Andersen, som ikke har været med til at udføre det nye forsøg, lyder der roser til David Field og hans kollegaer:

»Det er et supereksperiment, der viser, at hvad der sker på lille skala har betydning for, hvordan forholdene bliver på overordentlig stor skala. Med dette eksperiment får vi et bud på, hvad der skal til, for at stjernedannelse er mulig,« siger Anja C. Andersen, som arbejder ved Dark Cosmology Centre På Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

Men hvorfor er det overhovedet vigtigt at forstå, hvad der foregår, når stjerner bliver til? Fordi de kan give os svar på grundlæggende spørgsmål om vores eksistens, siger Anja C. Andersen.

»Vi forstår ikke i ordentlig detalje, hvordan stjerner dannes. Dermed forstår vi heller ikke i detaljer, hvordan planeter bliver dannet, og dermed kan vi ikke forklare, hvordan Jorden blev dannet, og det betyder, at vi dybest set ikke kan forklare, hvorfor vi er her. Og det er jo et af de helt store spørgsmål,« slutter hun.