JWST reveals a low-mass protostellar outburst driving a methanol maser flare

Sterren worden geboren in diepe, stoffige wolken waar de zwaartekracht gas en stof samen trekt totdat een nieuwe ster ontsteekt. Dit proces is zelden een soepel, gestaag evenement. In plaats daarvan ervaren jonge sterren vaak plotselinge, gewelddadige groeispurtjes, zogenaamde uitbarstingen, waarbij ze in korte tijd enorme hoeveelheden materiaal opslokken. Deze uitbarstingen zijn cruciaal omdat ze bepalen hoe zwaar een ster uiteindelijk zal worden en hoe de schijven van materiaal om hen heen evolueren naar planeten. Decennialang hebben astronomen moeite gehad om deze gebeurtenissen op te sporen bij de jongste, het diepst verborgen sterren, omdat het dikke stof dat hen omringt zichtbaar licht blokkeert. Een specifiek type gloeiende gaswolk, bekend als een methanolmaser, heeft echter lang gediend als een baken voor het vinden van deze energetische momenten. Tot nu toe werden deze heldere flitsen van radiogolven beschouwd als de exclusieve handtekening van massieve, zware sterren, wat wetenschappers deed geloven dat alleen de reuzen van de stellaire kraamkamer dergelijke dramatische activiteit konden veroorzaken.

Een team van astronomen dat gebruikmaakt van de James Webb Space Telescope en de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array heeft deze aanname nu ondersteboven gekeerd. Ze ontdekten dat een massieve methanolmaserflare in een ver afgelegen regio van de ruimte niet werd veroorzaakt door de massieve ster zelf, maar door een veel kleinere, nabijgelegen metgezel. Het verhaal begint in een stervormingsregio genaamd IRAS 18134-1942, gelegen op ongeveer 1.250 parsec van de aarde. Deze regio is een chaotische cluster van jonge sterren, ingebed in een stoffige omgeving. In het begin van 2023 detecteerden radiotelescoop een plotselinge, intense flare in een cluster van methanolmasers nabij een heldere, massieve protoster bekend als MM-main. De flare was zo helder en snel dat het suggereerde dat er een massale injectie van energie plaatsvond, en de natuurlijke aanname was dat de massieve ster in het centrum plotseling was uitgebarst.

Om het mysterie op te lossen, initieerden de onderzoekers een snelle reactie met behulp van de krachtigste ruimte- en grondgebonden telescopen ter wereld. Ze observeerden de regio tweemaal, elf dagen uit elkaar, en legden de scène vast in infrarood licht dat door het verhullende stof kan dringen. De gegevens onthulde een verrassende waarheid: de massieve ster, MM-main, vertoonde geen significante verandering in zijn emissies. Zijn spectra vertoonden geen fluxverandering in zowel de continuüm als de emissielijnen, en zijn millimeter-emissie bleef stabiel vergeleken met de observaties vóór de burst. Het enige object in het hele veld dat veranderde, was een zwakke, laag-massa protoster genaamd MM-NE, gelegen op slechts een korte afstand. Deze kleine ster onderging een gewelddadige uitbarsting, waarbij de helderheid in slechts iets meer dan een week met ongeveer 3� procent toenam. De onderzoekers vonden dat MM-NE een straal van materiaal uitstootte, waardoor een holle tunnel of holte in het omringende stof ontstond.

Deze geometrische rangschikking vormde de sleutel tot de puzzel. De uitstroomholte van de kleine ster, MM-NE, was direct gericht op de locatie van de flaring masers nabij de massieve ster. Het team concludeerde dat de plotselinge lichtpuls van de kleine ster door zijn eigen heldere tunnel reisde en de gaswolken nabij de massieve ster raakte. Deze extra burst van straling was net genoeg om de methanolmasers in een staat van extreme helderheid te duwen, wat de flare creëerde die radiotelescopen hadden waargenomen. De massieve ster bood de basiscondities voor de masers om te bestaan, maar de kleine ster leverde de plotselinge vonk die ze liet flaren. Deze ontdekking bewijst dat laag-massa sterren maserflares kunnen triggeren in massieve clusters, wat de langgekoesterde overtuiging uitdaagt dat alleen massieve sterren in staat zijn om dergelijke gebeurtenissen aan te drijven.

De observaties boden ook een zeldzame, gedetailleerde blik op hoe de omgeving van een ster reageert op een plotselinge burst van energie. De onderzoekers zagen de fysieke veranderingen in real time gebeuren. De hitte van de uitbarsting reisde naar buiten, waardoor eerst het binnenste gas van de schijf van de kleine ster opwarmde, wat ervoor zorgde dat moleculen zoals water en methaan helder oplichtten. Deze verwarmingsgolf bewoog zich vervolgens verder naar buiten, waardoor stofkorrels kristalliseerden en ijs van structuur veranderde. Het team mat dat de regio waar het ijs veranderde in slechts elf dagen met ongeveer 12 procent groeide, een direct verslag van de energiepuls die door het systeem bewoog. Door deze infraroodbeelden te combineren met radio-data, berekende het team dat de kleine ster materiaal opslokte met een snelheid die honderden malen hoger was dan normaal, waarbij een energie vrijkwam die gelijk staat aan bijna duizend zonnen.

Deze bevinding hertekent ons begrip van hoe sterren groeien en interageren. Het suggereert dat in drukke stellaire kraamkamers de activiteit van één kleine ster de buren dramatisch kan beïnvloeden, wat potentieel de ware aard van een uitbarsting verbergt als we alleen naar de massieve sterren kijken. De studie toont aan dat de "bakens" van maserflares niet exclusief voor reuzen zijn, maar kunnen worden getriggerd door de verborgen, energetische uitbarstingen van kleinere metgezellen. Door dit evenement in actie te vangen, hebben de onderzoekers aangetoond dat zelfs de kleinste sterren in een cluster aanzienlijke chemische en fysieke veranderingen in hun omgeving kunnen aansturen, wat een dynamische en onderling verbonden geboortemgeving onthult die voorheen onzichtbaar voor ons was.