Webb se uită la miezul înghețat al norului molecular – dezvăluind partea mai întunecată a chimiei gheții prestelare

Webb a identificat forme imobilizate ale unei game largi de molecule, inclusiv dioxid de carbon, amoniac și metan.

O echipă internațională de astronomi a anunțat că folosește[{” attribute=””>NASA’s James Webb Space Telescope. This result allows astronomers to examine the simple icy molecules that will be incorporated into future exoplanets, while opening a new window on the origin of more complex molecules that are the first step in the creation of the building blocks of life.

This image by NASA’s James Webb Space Telescope’s Near-Infrared Camera (NIRCam) features the central region of the Chamaeleon I dark molecular cloud, which resides 630 light years away. The cold, wispy cloud material (blue, center) is illuminated in the infrared by the glow of the young, outflowing protostar Ced 110 IRS 4 (orange, upper left). The light from numerous background stars, seen as orange dots behind the cloud, can be used to detect ices in the cloud, which absorb the starlight passing through them. Credit: Image: NASA, ESA, CSA, Science: Fengwu Sun (Steward Observatory), Zak Smith (The Open University), IceAge ERS Team, Image Processing: M. Zamani (ESA/Webb)

James Webb Space Telescope Unveils Dark Side of Pre-stellar Ice Chemistry

If you want to build a habitable planet, ices are a vital ingredient because they are the main source of several key elements — namely carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur (referred to here as CHONS). These elements are important ingredients in both planetary atmospheres and molecules like sugars, alcohols, and simple amino acids.

An international team of astronomers using NASA’s James Webb Space Telescope has obtained an in-depth inventory of the deepest, coldest ices measured to date in a molecular cloud.^[1] Pe lângă gheața simplă precum apa, echipa a reușit să identifice forme înghețate ale unei game largi de molecule, de la sulfură de carbonil, amoniac și metan, până la cea mai simplă moleculă organică complexă, metanolul. (Cercetătorii au considerat că moleculele organice sunt complexe atunci când sunt prezenți șase sau mai mulți atomi.) Acesta este cel mai cuprinzător recensământ de până acum al ingredientelor înghețate disponibile pentru a forma generațiile viitoare de stele și planete, înainte ca acestea să fie încălzite în timpul formării stelelor tinere.

a declarat Melissa McClure, astronom la Observatorul Leiden din Țările de Jos, care este investigatorul principal al programului de observare și autorul principal al lucrării care descrie descoperirea. „Aceste observații deschid o nouă fereastră asupra căilor de formare a moleculelor simple și complexe necesare pentru a face elementele de bază ale vieții”.

Versiune adnotată a imaginii de mai sus. Cele două stele de fundal utilizate în acest studiu, NIR38 și J110621 sunt indicate pe imagine în alb. Credit: NASA, ESA, CSA și M. Zamani (ESA/Webb); Știință: F. Sun (Stward Observatory), Z. Smith (Open University) și echipa ERS a Epocii de Gheață

Pe lângă moleculele pe care le-au identificat, echipa a găsit dovezi ale unor molecule mai complexe decât metanolul și, deși nu au atribuit definitiv aceste semnale unor molecule specifice, acest lucru demonstrează pentru prima dată că moleculele complexe se formează în adâncurile înghețate ale norilor moleculari. înainte ca stelele să se nască..

a adăugat Will Rocha, astronom la Observatorul din Leiden, care a contribuit la descoperire. „Acest lucru ar putea însemna că prezența moleculelor precursoare pentru prebiotice în sistemele planetare este o consecință comună a formării stelelor, mai degrabă decât o caracteristică unică a sistemului nostru solar”.

Prin detectarea sulfurilor de carbonil înghețate care conțin sulf, cercetătorii au reușit să estimeze pentru prima dată cantitatea de sulf prezentă în boabele de praf prestelar înghețat. În timp ce cantitatea măsurată este mai mare decât cea observată anterior, este totuși mai mică decât cantitatea totală care ar fi de așteptat să fie prezentă în acest nor, pe baza densității sale. Acest lucru este valabil și pentru alte CHONS. Principala provocare pentru astronomi este să înțeleagă unde se ascund aceste elemente: în gheață, material asemănător funinginei sau roci. Cantitatea de CHONS din fiecare tip de material determină cât de mult din aceste articole ajung să fie procesate[{” attribute=””>exoplanet atmospheres and how much in their interiors.

“The fact that we haven’t seen all of the CHONS that we expect may indicate that they are locked up in more rocky or sooty materials that we cannot measure,” explained McClure. “This could allow a greater diversity in the bulk composition of terrestrial planets.

Astronomers have taken an inventory of the most deeply embedded ices in a cold molecular cloud to date. They used light from a background star, named NIR38, to illuminate the dark cloud called Chamaeleon I. Ices within the cloud absorbed certain wavelengths of infrared light, leaving spectral fingerprints called absorption lines. These lines indicate which substances are present within the molecular cloud.
These graphs show spectral data from three of the James Webb Space Telescope’s instruments. In addition to simple ices like water, the science team was able to identify frozen forms of a wide range of molecules, from carbon dioxide, ammonia, and methane, to the simplest complex organic molecule, methanol.
In addition to the identified molecules, the team found evidence for molecules more complex than methanol (indicated in the lower-right panel). Although they didn’t definitively attribute these signals to specific molecules, this proves for the first time that complex molecules form in the icy depths of molecular clouds before stars are born.
The upper panels and lower-left panel all show the background star’s brightness versus wavelength. A lower brightness indicates absorption by ices and other materials in the molecular cloud. The lower-right panel displays the optical depth, which is essentially a logarithmic measure of how much light from the background star gets absorbed by the ices in the cloud. It is used to highlight weaker spectral features of less abundant varieties of ice.
Credit: Illustration: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Science: Klaus Pontoppidan (STScI), Nicolas M. Crouzet (LEI), Zak Smith (The Open University), Melissa McClure (Leiden Observatory)

Chemical characterization of the ices was accomplished by studying how starlight from beyond the molecular cloud was absorbed by icy molecules within the cloud at specific infrared wavelengths visible to Webb. This process leaves behind chemical fingerprints known as absorption lines which can be compared with laboratory data to identify which ices are present in the molecular cloud. In this study, the team targeted ices buried in a particularly cold, dense, and difficult-to-investigate region of the Chamaeleon I molecular cloud, a region roughly 500 light-years from Earth that is currently in the process of forming dozens of young stars.

“We simply couldn’t have observed these ices without Webb,” elaborated Klaus Pontoppidan, Webb project scientist at the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, who was involved in this research. “The ices show up as dips against a continuum of background starlight. In regions that are this cold and dense, much of the light from the background star is blocked, and Webb’s exquisite sensitivity was necessary to detect the starlight and therefore identify the ices in the molecular cloud.”

Această cercetare face parte din Proiect Ice Age, unul dintre cele 13 programe de lansare timpurie ale Webb. Aceste observații sunt concepute pentru a prezenta capacitățile de observație ale lui Webb și pentru a permite comunității astronomice să învețe cum să obțină cele mai bune rezultate din instrumentele sale. Echipa Ice Age a planificat deja mai multe observații și speră să urmărească călătoria gheții de la formarea ei până la adunarea cometelor de gheață.

„Este doar prima dată într-o serie de instantanee spectrale în care vom vedea cum evoluează gheața de la compoziția lor inițială la regiunile formatoare de comete ale discurilor protoplanetare”, a concluzionat McClure. „Acest lucru ne va spune ce amestec de gheață – și, prin urmare, ce elemente – ar putea fi livrat în cele din urmă pe suprafețele exoplanetelor terestre sau încorporat în atmosferele giganților gazoși sau a planetelor înghețate”.

Aceste rezultate au fost publicate în numărul din 23 ianuarie astronomie naturală.

Note

1. Un nor molecular este un nor interstelar imens de gaz și praf în care se pot forma molecule, cum ar fi hidrogenul și monoxidul de carbon. Aglomerări reci și dense din norii moleculari cu densități mai mari decât cele din jur ar putea fi locurile de formare a stelelor dacă s-ar prăbuși pentru a forma protostele.

Referință: „Ice Age JWST Inventory of Dense Molecular Cloud Snow” de M.K. McClure, D. . Qasim, MJ Rasheed, ZL Smith, Fengo Sun, Tracy L. Beck, ACA Bogert, W. Brown, B. Caselli, S.P. Charnley, Herma M. Cobbin, H. Dickinson, M.N. Drozdovskaya, Egami, J. Erkal, H. Fraser, RT Jarrod, DeHarsono, S. Iopoulou, I Jimenez-Serra, MJin, JK Jorgensen, Lee Christensen, DC Lees, MRS McCostra, Brett A McGuire, JG Melnick, Karen I Oberg, May Palumbo, T. Shimonishi, J.A. Storm , EF Van Dishoek și H. Lennarts, 23 ianuarie 2023, disponibil aici. astronomie naturală.
DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w

Telescopul spațial James Webb este cel mai important observator al științelor spațiale din lume. Webb va rezolva misterele sistemului nostru solar, va privi dincolo de lumi îndepărtate din jurul altor stele și va explora structurile și originile misterioase ale universului nostru și locul nostru în el. Webb este un program internațional condus de NASA cu partenerii săi ESA (Agenția Spațială Europeană) și Agenția Spațială Canadiană.