Er bestaat een select gezelschap van deepsky objecten waarvan de bijnaam zo perfect is, zo onmiddellijk herkenbaar en zo cultureel verankerd, dat ze de officiële catalogusaanduiding volledig heeft overschaduwd. Niemand zegt "laten we vanavond NGC 224 fotograferen", iedereen zegt Andromeda. Niemand spreekt over IC 1805 zonder er vrijwel meteen "Hartnevel" aan toe te voegen. En niemand die de Pacman Nevel kent, noemt haar NGC 281. De naam Pacman zegt alles en vraagt geen uitleg. Een generatie die opgroeide met de gele arcade-held van Namco herkent de vorm onmiddellijk op elke astrofoto: een grote, ronde emissinevel met een donkere inham aan één zijde die de opengesperrede mond vormt, omgeven door het donkere sterrenveld van Cassiopeia als de zwarte achtergrond van het klassieke spel.
Het is een van de gelukkigste en meest toepasselijke bijnamen in de amateur-astronomie, grappig genoeg om te glimlachen, treffend genoeg om nooit meer te vergeten.Maar de kosmische Pacman verslikt zich in meer dan stipjes. NGC 281 is een van de rijkste en wetenschappelijk meest fascinerende emissinebels aan de herfst- en winterhemel, een actief stervormingsgebied met een indrukwekkende centrale sterrenhoop, spectaculaire donkere stofpijlers die doen denken aan de beroemde Pillars of Creation, een complexe ionisatiestructuur en een reeks van fysische processen die samen een van de meest complete en toegankelijke portretten van actieve stervorming aan de hemel vormen. De Pacman is vrolijk van bijnaam. Van binnen is ze allesbehalve rustig.
Ontdekking en catalogisering
NGC 281 werd ontdekt door de Amerikaanse astronoom Edward Emerson Barnard op 31 augustus 1883, dezelfde Barnard die we eerder ontmoetten als ontdekker van de Californianevel (NGC 1499) en als catalogiseur van donkere nevels waaronder Barnard 150. Barnard was in die periode actief als waarnemer op de Vanderbilt University Observatory in Nashville, Tennessee, en zijn ontdekking van NGC 281 was een van zijn vroege bijdragen aan de observationele astronomie, gemaakt voordat hij zijn definitieve carrière bij de grote professionele observatoria zou beginnen.Barnard beschreef het object als een zwakke, uitgestrekte nevel in Cassiopeia, hij kon uiteraard niet vermoeden dat hij naar een actief stervormingsgebied keek op meer dan 9.000 lichtjaar afstand, gevuld met jonge sterren, donkere stofpijlers en de fysische processen die de moderne sterrenkunde zo intensief bestudeert. Het object werd opgenomen in de New General Catalogue van John Louis Emil Dreyer, gepubliceerd in 1888, onder de aanduiding NGC 281.In andere catalogi is de nevel terug te vinden als Sharpless 2-184 (Sh2-184), een aanduiding uit de Sharpless-catalogus van H-II-gebieden van 1959. Die classificatie als H-II-gebied bevestigt meteen de fundamentele aard van het object: een zone van geïoniseerd waterstof, aan het gloeien gebracht door de ultraviolette straling van de jonge, hete sterren in de ingebedde sterrenhoop. De nevel is ook opgenomen in de catalogus van heldere nevels van Lynds als LBN 616. De bijnaam "Pacman Nevel" is een latere toevoeging uit de wereld van de amateur-astronomie en astrofotografie, gegeven door waarnemers die de gelijkenis opmerkten tussen de morfologie van de nevel, een ronde structuur met een donkere inham, en het iconische personage uit het gelijknamige arcade-spel uit 1980. De naam is zo ingeburgerd dat ze in vrijwel alle populair-wetenschappelijke publicaties en online databases wordt gebruikt naast de officiële NGC-aanduiding.
Locatie aan de hemel
NGC 281 bevindt zich in het sterrenbeeld Cassiopeia, de Koningin, op een rechte klimming van 0u 52m 59s en een declinatie van +56° 37' 19''. Cassiopeia is een circumpolulair sterrenbeeld voor waarnemers op gematigde noordelijke breedtegraden, het daalt nooit onder de horizon vanuit locaties zoals België, Nederland, het Verenigd Koninkrijk of Canada, wat NGC 281 tot een object maakt dat het hele jaar door bereikbaar is. De beste waarnemingsperiode valt van augustus tot januari, wanneer Cassiopeia hoog aan de hemel staat tijdens de avonduren. De afstand tot NGC 281 wordt geschat op ongeveer 9.200 tot 9.500 lichtjaar, wat het object plaatst in de Perseusarm van de melkweg, dezelfde spiraalarm die ook de eerder besproken Californianevel (NGC 1499) en de sterrenhopen van Perseus herbergt. Op die afstand heeft de nevel een schijnbare diameter van ongeveer 35 bij 30 boogminuten, iets groter dan de volle maan, wat haar tot een van de grotere emissinevels aan de herfstwinternachtelijke hemel maakt. De werkelijke fysische diameter bedraagt op basis van de aangenomen afstand ruwweg 100 lichtjaar. De schijnbare magnitude van NGC 281 bedraagt approximately 7,4, maar net als bij alle emissinevels is die geïntegreerde magnitude verdeeld over een groot oppervlak, waardoor de oppervlaktehelderheid per vierkante boogminuut relatief laag is. De nevel is zonder filter visueel moeilijk waarneembaar maar reageert uitstekend op narrowband filters, met name H-alfa en OIII. De ligging in Cassiopeia heeft een bijzondere dimensie: het sterrenbeeld bevindt zich in de richting van de Perseusarm van de melkweg, en de rijke sterrenvelden en nevelcomplexen die Cassiopeia kenmerken zijn de directe uitdrukkingen van de stervormingsactiviteit in die spiraalarm. NGC 281 is slechts één van de vele H-II-gebieden in dit deel van de hemel, maar het is zonder twijfel een van de meest fotogenieke en wetenschappelijk interessante. Voor waarnemers in België en Nederland bereikt Cassiopeia een maximale hoogte van meer dan 70 graden boven de horizon, uitstekend voor zowel visuele waarneming als astrofotografie, met minimale atmosferische verstoring.
De Pacman-morfologie: mond, lichaam en geheimen
De morfologie van NGC 281 is wat de bijnaam rechtvaardigt en wat het object zo onmiddellijk herkenbaar maakt. Maar achter de simpele Pacman-silhouet gaat een complexe en gelaagde structuur schuil die bij nadere bestudering steeds meer details onthult. Het meest opvallende kenmerk is uiteraard de donkere inham aan de westzijde van de nevel, de "mond" van de Pacman. Die donkere zone is geen gat in de nevel maar een zone van dichter, neutraler gas en stof die minder volledig is geïoniseerd dan de rest van de nevel. Het gas in die zone absorbeert de ioniserende straling van IC 1590 voordat ze de achterliggende nebelmaterie kan bereiken, waardoor een donkere, relatief sterrenlege zone ontstaat die in schril contrast staat met de heldere, gloeiende rest van de nevel. De ronde, heldere hoofdstructuur van de nevel, het "lichaam" van de Pacman, is de eigenlijke H-II-zone: het gebied waar het waterstofgas volledig is geïoniseerd en in H-alfa straalt. Die zone is niet uniform helder maar vertoont subtiele variaties in helderheid en textuur die wijzen op dichtheidsvariaties in het gas. Zones van dichter gas stralen helderder, terwijl ijlere gebieden flauwer zijn en op langere belichtingstijden vereisen om goed zichtbaar te worden. Aan de randen van de nevel, met name aan de noordoostelijke en zuidoostelijke kant, zijn op diepere opnames flauwere, meer uitgestrekte nevelstructuren zichtbaar die de grens markeren tussen de geïoniseerde H-II-zone en het omringende neutrale interstellaire medium. Die randstructuren zijn de ionisatiefronten, de zones waar de ultraviolette fotonen van IC 1590 net genoeg energie hebben om het gas te ioniseren maar waar de ionisatiegraad al sterk afneemt. Ze geven de Pacman Nevel op brede, diepe opnames een uitgestrektere, meer diffuse buitenzone die de karakteristieke ronde vorm omringt als een zachte aureool.
De stofpijlers: de Pacman zijn tanden
Een van de meest spectaculaire en wetenschappelijk fascinerende kenmerken van NGC 281 zijn de donkere stofpijlers die zichtbaar zijn in het centrale deel van de nevel, direct rondom en gedeeltelijk overlappend met de sterrenhoop IC 1590. Die pijlers, ook wel Bok globules of EGGs (Evaporating Gaseous Globules) genoemd, zijn de ware tanden van de Pacman, en ze zijn de directe vindplaatsen van stervorming in wording. De stofpijlers van NGC 281 zijn structureel vergelijkbaar met de beroemde Pillars of Creation in de Adelaarsnevel (M16), die in 1995 door de Hubble Space Telescope werden gefotografeerd en wereldberoemd werden als iconen van de sterrenkunde. Net als de pijlers in M16 zijn de donkere structuren in NGC 281 zones van dicht, koud moleculair gas en stof die weerstand bieden aan de ioniserende straling van de centrale sterrenhoop. De randen van de pijlers die naar IC 1590 zijn gericht, worden geïoniseerd en lichten op in karakteristieke H-alfa-emissie, terwijl de kerngebieden van de pijlers koud en donker blijven, potentiële geboorteplaatsen van nieuwe sterren. Het proces dat de pijlers vormt is wat astronomen photoevaporation noemen: de intense ultraviolette straling van de hete sterren in IC 1590 verdampt letterlijk het gas aan de oppervlakten van de pijlers, laag voor laag. Die verdamping gaat gepaard met een druk die de pijlers van alle kanten samenperst, waardoor de dichtheid in de kern toeneemt en de condities voor sterinval, de gravitationele instorting die een nieuwe ster doet ontstaan, steeds gunstiger worden.
Infraroodwaarnemingen van de stofpijlers in NGC 281 hebben aangetoond dat sommige pijlers inderdaad jonge stellaire objecten bevatten, protosterren die zijn ingebed in het dichte stof van de pijlerkern en die in optisch licht volledig verborgen blijven achter het stofscherm. Die proto-sterren zijn detecteerbaar als puntbronnen van infraroodstraling die door het stof heen sijpelt, en hun aanwezigheid bevestigt dat de pijlers van NGC 281 actieve stervormingskernen zijn, plaatsen waar op dit moment, terwijl wij naar de nevel kijken, nieuwe sterren worden geboren. De stofpijlers zijn ook de reden waarom NGC 281 zo goed reageert op H-alfa fotografie: de contrast tussen de heldere, gloeiende randen van de geïoniseerde pijleroppervlakten en de pikzwarte kerngebieden is in H-alfa bijzonder uitgesproken en geeft de nevel zijn rijke, gelaagde interne textuur.
en een ZWO AS2600mc-Pro camera.
Astrofotografie: de Pacman in al zijn glorie
NGC 281 is voor astrofotografen een van de meest dankbare objecten aan de herfst- en winterhemel, een object dat bij elke kwaliteit van apparatuur en elke belichtingstijd iets te laten zien heeft, maar dat zijn ware rijkdom pas onthult aan wie bereid is de nodige tijd en moeite te investeren. Qua brandpuntsafstand is NGC 281 bijzonder veelzijdig. Met een brandpuntsafstand van 300 tot 500 mm op een APS-C sensor of 400 tot 700 mm op fullframe past de nevel comfortabel in het beeldveld met voldoende omgeving om context te bieden. Op dit brandpuntsbereik zijn de hoofdstructuur van de nevel, de donkere inham van de Pacman-mond en de omliggende flauwere structuren allemaal in beeld, en zijn de stofpijlers al als donkere structuren herkenbaar in het centrale deel. Met langere brandpuntsafstanden van 700 tot 1200 mm worden de stofpijlers in detail zichtbaar, de individuele compacte knobbels, de heldere geïoniseerde randen, de subtiele dichtheidsvariaties in het gas rondom de pijlerstructuren. Op dit brandpuntsbereik wordt NGC 281 een object van grote detailrijkdom dat uren van belichtingstijd kan absorberen zonder zijn geheimen volledig prijs te geven.
Een mozaïekbenadering met een middellange brandpuntsafstand van 400 tot 600 mm is een bijzonder bevredigende strategie voor NGC 281: twee of drie panelen die de volledige nevel inclusief de buitenste diffuse structuren omvatten, met voldoende resolutie om de stofpijlers goed te resolven. Dergelijke mozaïekbeelden van NGC 281 behoren tot de mooiste resultaten die amateur-astrofotografie te bieden heeft. Belichtingstijden voor NGC 281 zijn afhankelijk van de filterkeuze en het optisch systeem. In H-alfa zijn subs van 5 tot 15 minuten gebruikelijk, met een totale integratie van 5 tot 12 uur voor het H-alfa kanaal. OIII vereist doorgaans vergelijkbare of iets langere integratie dan H-alfa voor een vergelijkbare signaalsterkte. SII vergt de meeste integratie van de drie kanalen. Vanuit lichtverontreinigde stedelijke omgevingen is NGC 281 uitstekend te fotograferen met dual-narrowband filters, dankzij de sterke H-alfa en OIII emissie. Een specifieke uitdaging bij het fotograferen van NGC 281 is het belichten van zowel de heldere centrale zone rondom IC 1590 als de flauwere buitenstructuren van de nevel zonder de centrale zone te overbelasten. Een strategie van meerdere belichtingsseries met verschillende sub-lengtes, kortere subs voor de heldere centrale zone en langere subs voor de flauwere buitenstructuren, gecombineerd in de beeldbewerking via HDR-technieken, geeft de beste dynamische range in het eindresultaat.
Visuele waarneming
NGC 281 is visueel een uitdagend maar bereikbaar object voor waarnemers met adequate instrumenten en filters. Zonder filter is de nevel moeilijk zichtbaar, de lage oppervlaktehelderheid maakt het praktisch onmogelijk om contrast te onderscheiden ten opzichte van de achtergrondhemel in de rijke sterrenvelden van Cassiopeia. Met een OIII- of UHC-filter verandert het beeld aanzienlijk. In een telescoop van 100 tot 150 mm met een UHC-filter en een donkere hemel is de nevel detecteerbaar als een zwakke maar merkbare verheldering van de achtergrondhemel in het gebied rondom IC 1590. De centrale sterrenhoop zelf, IC 1590, is zonder filter al zichtbaar als een compacte groepering van zwakke sterren bij matige vergroting. Met instrumenten van 200 mm en groter onder een donkere hemel en met een OIII-filter beginnen de contouren van de nevel zichtbaar te worden. De ronde hoofdstructuur onderscheidt zich van de omgeving, en bij uitstekende omstandigheden is een hint van de donkere inham, de Pacman-mond, waarneembaar als een zone van iets lagere emissie aan de westzijde van de nevel. Met telescopen van 300 mm en groter onder de beste omstandigheden wordt NGC 281 werkelijk indrukwekkend: de ronde structuur is duidelijk en goed omlijnd, de asymmetrie in helderheid tussen de verschillende delen van de nevel is merkbaar, en bij grote aperture en uitstekende transparantie zijn hints van de stofpijlers in het centrale deel zichtbaar als iets donkerdere zones in de heldere nebelemissie. Een verrekijker van 10x50 of groter met een UHC-filter kan onder een donkere hemel verrassend goede resultaten geven voor NGC 281, dankzij het brede gezichtsveld dat de nevel in haar volledige context toont.
Wetenschappelijk onderzoek: een laboratorium voor stervorming
NGC 281 heeft in de afgelopen decennia regelmatig de aandacht getrokken van professionele astronomen als studieobject voor stervorming en voor de wisselwerking tussen jonge sterren en het omringende interstellaire medium. Een van de meest intensief bestudeerde aspecten is de populatie van jonge stellaire objecten in en rondom de nevel. Infraroodwaarnemingen, met name van de Spitzer Space Telescope, hebben een rijke populatie van jonge sterren geïdentificeerd die zijn ingebed in het gas en stof van de nevel, sterren in verschillende evolutionaire stadia, van vroege proto-sterren omgeven door dikke accretieschijven tot iets oudere T-Tauri-sterren waarvan de schijven al deels zijn verdampt door de ioniserende straling van IC 1590. Bijzonder interessant zijn de studies van triggered star formation in NGC 281, het proces waarbij de ioniserende straling en de stellaire wind van de sterren in IC 1590 de vorming van nieuwe sterren in de omringende moleculaire wolk stimuleren door het gas samen te drukken tot dichtheden die gravitationele instorting mogelijk maken. Die trigger-stervorming is precies wat er lijkt te gebeuren in de stofpijlers van NGC 281: de druk van de ionisatiefront comprimeert het gas in de pijlerkernen en brengt daar de condities voor sterinval op gang. Röntgenwaarnemingen met de Chandra X-ray Observatory hebben de jonge, röntgenactieve sterren in IC 1590 in detail in kaart gebracht. Jonge sterren zijn intense bronnen van röntgenstraling vanwege hun turbulente magnetische activiteit, en de Chandra-waarnemingen hebben tientallen röntgenbronnen in en rondom de sterrenhoop geïdentificeerd die de jonge stellaire populatie traceren. Astrometrische data van de Gaia-ruimtetelescoop hebben de afstand en kinematische structuur van IC 1590 nauwkeuriger bepaald en bevestigd dat de sterrenhoop deel uitmaakt van de Perseusarm van de melkweg op een afstand van circa 9.200 lichtjaar, consistent met eerdere afstandsschattingen op basis van spectroscopische parallax.
De kosmische Pacman die nooit ophoudt te eten
Op 9.200 lichtjaar afstand, in de Perseusarm van de melkweg, hangt een nevel die haar mond wijd opengespert houdt. Niet voor stipjes of spoken, maar voor gas. Voor moleculaire wolken. Voor de bouwstenen van nieuwe sterren die ze stukje bij beetje omzet in sterlicht, in ioniserende straling, in de energie die haar stofpijlers verdampt en haar ionisatiefront vooruit stuwt in het omringende interstellaire medium. De kosmische Pacman eet. Ze heeft altijd gegeten. En in haar maag, in de compacte kernen van haar donkere stofpijlers, verborgen achter het stofscherm, onzichtbaar in optisch licht maar detecteerbaar in het infrarood, worden op dit moment nieuwe sterren geboren. De Pacman verslikt zich in moleculaire wolken en spuugt sterren uit. Dat is haar bestemming. Dat is haar verhaal. Voor de amateur-astronoom en astrofotograaf die op een heldere herfst- of winternacht zijn telescoop of camera richt op Cassiopeia, is NGC 281 meer dan een grappige bijnaam en een herkenbare vorm. Het is een van de complete en toegankelijkste portrettten van actieve stervorming die de hemel te bieden heeft, een object waar alles zichtbaar is wat een stervormingsgebied kenmerkt, van de ioniserende centrale sterren tot de verdampende stofpijlers en de jonge proto-sterren die erin schuilen. Cassiopeia staat hoog aan de hemel. De Pacman staat open. En de kosmos, onverstoord en onvermoeid, gaat door met zijn spel.
