Webb tuurt in de bevroren kern van de moleculaire wolk en onthult de donkere kant van de chemie van prestellair ijs

Webb identificeerde geïmmobiliseerde vormen van een breed scala aan moleculen, waaronder koolstofdioxide, ammoniak en methaan.

Een internationaal team van astronomen kondigde het gebruik aan[{” 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] Naast eenvoudig ijs zoals water, was het team in staat om bevroren vormen van een breed scala aan moleculen te identificeren, van carbonylsulfide, ammoniak en methaan tot het eenvoudigste complexe organische molecuul, methanol. (De onderzoekers beschouwden organische moleculen als complex wanneer er zes of meer atomen aanwezig zijn.) Dit is de meest uitgebreide telling tot nu toe van de ijzige ingrediënten die beschikbaar zijn om toekomstige generaties sterren en planeten te vormen, voordat ze werden verhit tijdens de vorming van jonge sterren.

zei Melissa McClure, een astronoom bij de Sterrewacht Leiden in Nederland, die de hoofdonderzoeker is van het observatieprogramma en hoofdauteur van het artikel dat de bevinding beschrijft. “Deze waarnemingen openen een nieuw venster op de vormingsroutes van de eenvoudige en complexe moleculen die nodig zijn om de bouwstenen van het leven te maken.”

Geannoteerde versie van de afbeelding hierboven. De twee achtergrondsterren die in deze studie zijn gebruikt, NIR38 en J110621, zijn in het wit aangegeven op de afbeelding. Credits: NASA, ESA, CSA en M. Zamani (ESA/Webb); Wetenschap: F. Sun (Stward Observatory), Z. Smith (Open University) en Ice Age ERS-team

Naast de moleculen die ze identificeerden, vond het team bewijs van moleculen die complexer zijn dan methanol, en hoewel ze deze signalen niet definitief hebben toegeschreven aan specifieke moleculen, bewijst dit voor het eerst dat complexe moleculen ontstaan ​​in de ijzige diepten van moleculaire wolken. voordat sterren zelfs maar geboren zijn. .

voegde Will Rocha toe, een astronoom van de Leidse Sterrewacht die heeft bijgedragen aan de ontdekking. “Dit zou kunnen betekenen dat de aanwezigheid van voorlopermoleculen voor prebiotica in planetaire systemen een algemeen gevolg is van stervorming, in plaats van een uniek kenmerk van ons zonnestelsel.”

Door zwavelhoudende ijzige carbonylsulfiden te detecteren, hebben onderzoekers voor het eerst de hoeveelheid zwavel in ijzige prestellaire stofdeeltjes kunnen schatten. Hoewel de gemeten hoeveelheid groter is dan eerder waargenomen, is het nog steeds minder dan de totale hoeveelheid die naar verwachting in deze wolk aanwezig zou zijn, op basis van de dichtheid ervan. Dit geldt ook voor andere CHONS. De grootste uitdaging voor astronomen is te begrijpen waar deze elementen zich verbergen: in ijs, roetachtig materiaal of rotsen. De hoeveelheid CHONS in elk type materiaal bepaalt hoeveel van deze items uiteindelijk worden verwerkt[{” 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.”

Dit onderzoek is onderdeel van IJstijd project, een van Webb’s 13 Early Release-programma’s. Deze waarnemingen zijn ontworpen om de waarnemingsmogelijkheden van Webb te demonstreren en om de astronomische gemeenschap in staat te stellen te leren hoe ze het beste uit haar instrumenten kunnen halen. Het Ice Age-team heeft al meer waarnemingen gepland en hoopt de reis van het ijs te volgen vanaf de vorming tot het verzamelen van ijzige kometen.

“Dit is pas de eerste keer in een reeks spectrale snapshots die we te zien krijgen hoe ijs evolueert van hun oorspronkelijke samenstelling naar komeetvormende gebieden van protoplanetaire schijven,” concludeerde McClure. “Dit zal ons vertellen welk mengsel van ijs – en dus welke elementen – uiteindelijk kunnen worden afgeleverd op de oppervlakken van terrestrische exoplaneten of kunnen worden opgenomen in de atmosfeer van gasreuzen of ijzige planeten.”

Deze resultaten zijn gepubliceerd in het nummer van 23 januari van natuurlijke astronomie.

Notities

1. Een moleculaire wolk is een enorme interstellaire wolk van gas en stof waarin zich moleculen kunnen vormen, zoals waterstof en koolmonoxide. Koele, dichte klonten in moleculaire wolken met hogere dichtheden dan hun omgeving zouden de plaatsen van stervorming kunnen zijn als ze zouden instorten om protosterren te vormen.

Referentie: “Ice Age JWST Inventory of Dense Molecular Cloud Snow” door M.K. McClure, D. . Qasim, MJ Rasheed, ZL Smith, Fengo Sun, Tracy L. Beck, ACA Bogert, W. Brown, B. 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 en H. Lennarts, 23 januari 2023, hier beschikbaar. natuurlijke astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w

De James Webb Space Telescope is ’s werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en mysterieuze structuren en de oorsprong van het universum en onze plaats daarin onderzoeken. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.