O gás molecular nas galáxias é organizado em uma hierarquia de estruturas. O material molecular em nuvens gigantes de gás molecular viaja ao longo de redes intrincadas de linhas de gás filamentares em direção aos centros congestionados de gás e poeira, onde é comprimido em estrelas e planetas, muito parecido com os milhões de pessoas que se deslocam para as cidades para trabalhar em todo o mundo.

Para entender melhor este processo, uma equipe de astrônomos liderados por Jonathan Henshaw no Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) mediu o movimento do gás fluindo de escalas galácticas até as escalas dos aglomerados de gás dentro dos quais estrelas individuais se formam. Seus resultados mostram que o gás que flui através de cada escala está dinamicamente interconectado:enquanto a formação de estrelas e planetas ocorre nas escalas menores, este processo é controlado por uma cascata de fluxos de matéria que começam nas escalas galácticas. Esses resultados são publicados hoje na revista científica. Astronomia da Natureza .

O gás molecular nas galáxias é colocado em movimento por mecanismos físicos, como a rotação galáctica, explosões de supernova, Campos magnéticos, turbulência, e gravidade, moldar a estrutura do gás. Compreender como esses movimentos impactam diretamente a formação de estrelas e planetas é difícil, porque requer quantificar o movimento do gás em uma grande variedade na escala espacial, e, em seguida, vinculando esse movimento às estruturas físicas que observamos. As instalações astrofísicas modernas agora mapeiam rotineiramente grandes áreas do céu, com alguns mapas contendo milhões de pixels, cada um com centenas a milhares de medições de velocidade independentes. Como resultado, medir esses movimentos é um desafio científico e tecnológico.

Para enfrentar esses desafios, uma equipe internacional de pesquisadores liderada por Jonathan Henshaw na MPIA em Heidelberg começou a medir os movimentos do gás em uma variedade de ambientes diferentes usando observações do gás na Via Láctea e em uma galáxia próxima. Eles detectam esses movimentos medindo a mudança aparente na frequência da luz emitida pelas moléculas, causada pelo movimento relativo entre a fonte de luz e o observador; um fenômeno conhecido como efeito Doppler. Ao aplicar um novo software desenvolvido por Henshaw e Ph.D. aluno Manuel Riener (co-autor do artigo; também na MPIA), a equipe conseguiu analisar milhões de medições. "Este método nos permitiu visualizar o meio interestelar de uma nova maneira, "diz Henshaw.

Os pesquisadores descobriram que os movimentos do gás molecular frio parecem flutuar em velocidade, uma reminiscência na aparência de ondas na superfície do oceano. Essas flutuações representam o movimento do gás. "As flutuações em si não foram particularmente surpreendentes, sabemos que o gás está se movendo, "diz Henshaw. Steve Longmore, co-autor do artigo, baseado na Liverpool John Moores University, adiciona, "O que nos surpreendeu foi como a estrutura de velocidade dessas diferentes regiões parecia semelhante. Não importava se estivéssemos olhando para uma galáxia inteira ou uma nuvem individual dentro de nossa própria galáxia, a estrutura é mais ou menos a mesma. "

Para entender melhor a natureza dos fluxos de gás, a equipe selecionou várias regiões para um exame minucioso, usando técnicas estatísticas avançadas para procurar diferenças entre as flutuações. Ao combinar uma variedade de medidas diferentes, os pesquisadores foram capazes de determinar como as flutuações de velocidade dependem da escala espacial.

"Uma característica interessante de nossas técnicas de análise é que elas são sensíveis à periodicidade, "explica Henshaw." Se houver padrões repetidos em seus dados, como nuvens moleculares gigantes igualmente espaçadas ao longo de um braço espiral, podemos identificar diretamente a escala em que o padrão se repete. "A equipe identificou três vias de gás filamentar, que, apesar de traçar escalas muito diferentes, todos pareciam mostrar uma estrutura que estava aproximadamente equidistantemente espaçada ao longo de suas cristas, como contas em um cordão, fossem nuvens moleculares gigantes ao longo de um braço espiral ou minúsculos "núcleos" formando estrelas ao longo de um filamento.

A equipe descobriu que as flutuações de velocidade associadas à estrutura com espaçamento equidistante mostraram um padrão distinto. "As flutuações parecem ondas oscilando ao longo das cristas dos filamentos, eles têm uma amplitude e comprimento de onda bem definidos, "diz Henshaw acrescentando, "O espaçamento periódico das nuvens moleculares gigantes em escalas grandes ou núcleos formadores de estrelas individuais em escalas pequenas é provavelmente o resultado de seus filamentos pais se tornarem gravitacionalmente instáveis. Acreditamos que esses fluxos oscilatórios são a assinatura do gás fluindo ao longo dos braços espirais ou convergindo para os picos de densidade, fornecendo novo combustível para a formação de estrelas. "

Em contraste, a equipe descobriu que as flutuações de velocidade medidas ao longo de nuvens moleculares gigantes, em escalas intermediárias entre nuvens inteiras e os pequenos núcleos dentro delas, não mostram escala característica óbvia. Diederik Kruijssen, co-autor do artigo baseado na Universidade de Heidelberg explica:"As estruturas de densidade e velocidade que vemos em nuvens moleculares gigantes são 'sem escala', porque os fluxos turbulentos de gás que geram essas estruturas formam uma cascata caótica, revelando flutuações cada vez menores conforme você aumenta o zoom, como um brócolis Romanesco, ou um floco de neve. Este comportamento livre de escala ocorre entre dois extremos bem definidos:a grande escala de toda a nuvem, e a pequena escala dos núcleos que formam estrelas individuais. Agora descobrimos que esses extremos têm tamanhos característicos bem definidos, mas entre eles o caos impera. "

"Imagine as nuvens moleculares gigantes como megacidades igualmente espaçadas conectadas por rodovias, "diz Henshaw." Do ponto de vista de um pássaro, a estrutura dessas cidades, e os carros e pessoas passando por eles, parece caótico e desordenado. Contudo, quando aumentamos o zoom em estradas individuais, vemos pessoas que viajaram de muito longe entrando em seus prédios de escritórios individuais de maneira ordenada. Os edifícios de escritórios representam os núcleos de gás denso e frio de onde nascem estrelas e planetas. "