Webb nahlíží do zmrzlého jádra molekulárního mraku – odhaluje temnější stránku chemie předhvězdného ledu

Webb identifikoval imobilizované formy široké škály molekul, včetně oxidu uhličitého, amoniaku a metanu.

Mezinárodní tým astronomů oznámil použití[{“ 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] Kromě jednoduchého ledu, jako je voda, byl tým schopen identifikovat zmrazené formy široké škály molekul, od karbonylsulfidu, amoniaku a metanu až po nejjednodušší komplexní organickou molekulu, methanol. (Vědci považovali organické molekuly za složité, když je přítomno šest nebo více atomů.) Toto je dosud nejkomplexnější sčítání ledových ingrediencí, které jsou k dispozici pro vytvoření budoucích generací hvězd a planet, než byly zahřáty během formování mladých hvězd.

řekla Melissa McClure, astronomka z Leidenské observatoře v Nizozemsku, která je hlavní řešitelkou programu pozorování a hlavní autorkou článku popisujícího nález. „Tato pozorování otevírají nové okno na cestě tvorby jednoduchých a složitých molekul potřebných k vytvoření stavebních kamenů života.“

Komentovaná verze obrázku výše. Dvě hvězdy na pozadí použité v této studii, NIR38 a J110621, jsou na obrázku označeny bílou barvou. Poděkování: NASA, ESA, CSA a M. Zamani (ESA/Webb); Věda: F. Sun (Stward Observatory), Z. Smith (Open University) a tým ERS doby ledové

Kromě molekul, které identifikovali, tým našel důkazy o molekulách složitějších než methanol, a přestože tyto signály definitivně nepřipsali konkrétním molekulám, poprvé to dokazuje, že složité molekuly se tvoří v ledových hlubinách molekulárních mračen. ještě než se zrodí hvězdy..

dodal Will Rocha, astronom z Leidenské observatoře, který přispěl k objevu. „To by mohlo znamenat, že přítomnost prekurzorových molekul pro prebiotika v planetárních systémech je běžným důsledkem tvorby hvězd, spíše než jedinečným rysem naší sluneční soustavy.“

Detekcí ledových karbonylsulfidů obsahujících síru se vědcům podařilo poprvé odhadnout množství síry přítomné v ledových předhvězdných prachových zrnech. I když je naměřené množství větší, než bylo dříve pozorováno, je stále menší než celkové množství, které by se dalo očekávat v tomto oblaku na základě jeho hustoty. To platí i pro ostatní CHONS. Hlavní výzvou pro astronomy je pochopit, kde se tyto prvky skrývají: v ledu, materiálu podobném sazím nebo v horninách. Množství CHONS v každém typu materiálu určuje, kolik z těchto položek se nakonec zpracuje[{“ 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.”

Tento výzkum je součástí Projekt Doba ledová, jeden z 13 Webbových programů Early Release. Tato pozorování jsou navržena tak, aby předvedla Webbovy pozorovací schopnosti a umožnila astronomické komunitě naučit se, jak z jejích přístrojů vytěžit to nejlepší. Tým z doby ledové již naplánoval další pozorování a doufá, že se mu podaří vysledovat cestu ledu od jeho vzniku až po shlukování ledových komet.

„Toto je teprve poprvé ze série spektrálních snímků, kdy uvidíme, jak se ledy vyvíjejí od jejich původního složení k oblastem protoplanetárních disků tvořících komety,“ uzavřel McClure. „To nám řekne, která směs ledu – a tedy které prvky – by mohla být nakonec dodána na povrchy pozemských exoplanet nebo začleněna do atmosféry plynných obrů nebo ledových planet.“

Tyto výsledky byly zveřejněny ve vydání z 23. ledna přírodní astronomie.

Poznámky

1. Molekulární mrak je obrovský mezihvězdný mrak plynu a prachu, ve kterém se mohou tvořit molekuly, jako je vodík a oxid uhelnatý. Chladné, husté shluky v molekulárních oblacích s vyššími hustotami než jejich okolí by mohly být místy vzniku hvězd, pokud by se zhroutily a vytvořily protohvězdy.

Reference: „Doba ledová JWST Inventory of Dense Molecular Cloud Snow“ od M.K. McClure, D. . Qasim, MJ Rasheed, ZL Smith, Fengo Sun, Tracy L. Beck, ACA Bogert, W. Brown, B. Caselli, S. B. Charnley, Herma M. Cobbin, H. Dickinson, M. N. 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, J.A. Storm , EF Van Dishoek a H. Lennarts, 23. ledna 2023, k dispozici zde. přírodní astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w

Vesmírný dalekohled Jamese Webba je přední světová observatoř pro vesmírnou vědu. Webb bude řešit záhady v naší sluneční soustavě, dívat se dál na vzdálené světy kolem jiných hvězd a zkoumat záhadné struktury a původ vesmíru a naše místo v něm. Webb je mezinárodní program vedený NASA se svými partnery ESA (European Space Agency) a Canadian Space Agency.