Webb zagląda do zamarzniętego rdzenia obłoku molekularnego – ujawniając ciemniejszą stronę chemii lodu przedgwiazdowego

Webb zidentyfikował unieruchomione formy szerokiej gamy cząsteczek, w tym dwutlenku węgla, amoniaku i metanu.

Międzynarodowy zespół astronomów ogłosił użycie[{” 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] Oprócz zwykłego lodu, takiego jak woda, zespół był w stanie zidentyfikować zamrożone formy szerokiej gamy cząsteczek, od siarczku karbonylu, amoniaku i metanu, po najprostszą złożoną cząsteczkę organiczną, metanol. (Naukowcy uznali, że molekuły organiczne są złożone, gdy obecnych jest sześć lub więcej atomów.) Jest to najobszerniejszy jak dotąd spis składników lodu dostępnych do tworzenia przyszłych generacji gwiazd i planet, zanim zostały one ogrzane podczas formowania się młodych gwiazd.

powiedziała Melissa McClure, astronom z Obserwatorium Leiden w Holandii, która jest głównym badaczem programu obserwacyjnego i głównym autorem artykułu opisującego odkrycie. „Te obserwacje otwierają nowe okno na ścieżki powstawania prostych i złożonych cząsteczek potrzebnych do stworzenia cegiełek życia”.

Wersja powyższego obrazu z adnotacjami. Dwie gwiazdy tła użyte w tym badaniu, NIR38 i J110621, zaznaczono na zdjęciu kolorem białym. Źródło: NASA, ESA, CSA i M. Zamani (ESA/Webb); Nauka: F. Sun (Stward Observatory), Z. Smith (Open University) i zespół Ice Age ERS

Oprócz cząsteczek, które zidentyfikowali, zespół znalazł dowody na istnienie cząsteczek bardziej złożonych niż metanol i chociaż nie przypisali ostatecznie tych sygnałów konkretnym cząsteczkom, dowodzi to po raz pierwszy, że złożone cząsteczki tworzą się w lodowych głębinach chmur molekularnych zanim narodzą się gwiazdy. .

dodał Will Rocha, astronom z Obserwatorium w Leiden, który przyczynił się do odkrycia. „Może to oznaczać, że obecność cząsteczek prekursorów prebiotyków w układach planetarnych jest powszechną konsekwencją formowania się gwiazd, a nie unikalną cechą naszego Układu Słonecznego”.

Wykrywając lodowe siarczki karbonylu zawierające siarkę, naukowcy byli w stanie po raz pierwszy oszacować ilość siarki obecnej w lodowych ziarnach pyłu przedgwiazdowego. Chociaż zmierzona ilość jest większa niż poprzednio obserwowana, to nadal jest mniejsza niż całkowita ilość, której można by się spodziewać w tej chmurze, w oparciu o jej gęstość. Dotyczy to również innych CHONS. Głównym wyzwaniem dla astronomów jest zrozumienie, gdzie ukrywają się te pierwiastki: w lodzie, materiale sadzy lub skałach. Ilość CHONS w każdym rodzaju materiału określa, ile z tych przedmiotów zostanie przetworzonych[{” 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.”

To badanie jest częścią Projekt epoki lodowcowej, jeden z 13 programów wczesnego wydania Webba. Obserwacje te mają na celu zademonstrowanie możliwości obserwacyjnych Webba i umożliwienie społeczności astronomicznej nauczenia się, jak najlepiej wykorzystać jego instrumenty. Zespół Epoki Lodowcowej zaplanował już więcej obserwacji i ma nadzieję prześledzić podróż lodu od jego powstania do gromadzenia się lodowych komet.

„To dopiero pierwszy raz w serii spektralnych migawek, w których zobaczymy, jak lód ewoluuje od swojego początkowego składu do obszarów tworzących komety dysków protoplanetarnych” – podsumował McClure. „To powie nam, jaka mieszanina lodu – a zatem jakie pierwiastki – może ostatecznie zostać dostarczona na powierzchnię egzoplanet typu ziemskiego lub włączona do atmosfer gazowych olbrzymów lub lodowych planet”.

Wyniki te zostały opublikowane w numerze z 23 stycznia astronomia naturalna.

Notatki

1. Obłok molekularny to ogromny międzygwiezdny obłok gazu i pyłu, w którym mogą tworzyć się cząsteczki, takie jak wodór i tlenek węgla. Chłodne, gęste skupiska w obłokach molekularnych o gęstości większej niż ich otoczenie mogłyby być miejscami powstawania gwiazd, gdyby zapadły się i utworzyły protogwiazdy.

Odniesienie: „Ice Age JWST Inventory of Dense Molecular Cloud Snow” autorstwa M.K. McClure, D. . Qasim, MJ Rasheed, ZL Smith, Fengo Sun, Tracy L. Beck, ACA Bogert, W. Brown, P. Caselli, SB Charnley, Herma M. Cobbin, H. Dickinson, MN Drozdovskaya, Egami, J. Erkal, H. Fraser RT Garrod, 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, JA Storm, EF Van Dishoek i H. Lennarts, 23 stycznia 2023 r., dostępne tutaj. astronomia naturalna.
DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest czołowym na świecie kosmicznym obserwatorium naukowym. Webb rozwiąże zagadki naszego Układu Słonecznego, zajrzy poza odległe światy wokół innych gwiazd i zbada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze miejsce w nim. Webb to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) i Kanadyjską Agencją Kosmiczną.