Уэбб НАСА представляет космический коктейль: этанол и ледяные элементы новых миров

Международная группа астрономов, использующая НАСА/ЕКА/ККА Космический телескоп Джеймса Уэбба открыли множество молекул, от относительно простых, таких как метан, до сложных соединений, таких как уксусная кислота. кислота и этанол — в протозвездах ранних стадий, где планеты еще не сформировались. Это ключевые ингредиенты для создания потенциально обитаемых миров.

Наличие сложных органических молекул (СОМ)^[1] в твердой фазе протозвезд впервые было предсказано десятилетия назад на основе лабораторных экспериментов, а предварительные обнаружения этих молекул были сделаны другими космическими телескопами. Сюда входит программа Уэбба Early Release Science «Ледниковый период», в ходе которой были обнаружены разнообразные льды в самых темных и холодных областях молекулярного облака, измеренных на сегодняшний день.

Новые открытия телескопа Уэбб

Теперь, благодаря беспрецедентному спектральному разрешению и чувствительности инструмента среднего инфракрасного диапазона Уэбба (MIRI) в рамках программы JOYS+ (Наблюдения молодых протозвезд Джеймса Уэбба), эти COM были индивидуально идентифицированы и подтверждено их присутствие в межзвездных льдах. Это включает в себя надежное обнаружение ацетальдегида, этанола (то, что мы называем спиртом), метилформиата и, вероятно, уксусной кислоты (кислоты в уксусе) в твердой фазе.

«Это открытие способствует решению одного из давних вопросов астрохимии», — сказал руководитель группы Уилл Роча из Лейденского университета в Нидерландах. «Каково происхождение COM в космосе? Они производятся в газовой фазе или во льду? Обнаружение СОМ во льдах предполагает, что твердофазные химические реакции на поверхности холодных частиц пыли могут создавать сложные виды молекул».

Значение твердофазных COM

Поскольку несколько СОМ, в том числе обнаруженные в твердой фазе в этом исследовании, ранее были обнаружены в теплой газовой фазе, теперь считается, что они возникают в результате сублимации льдов. Сублимация заключается в прямом переходе из твердого состояния в газообразное, не превращаясь в жидкость. Таким образом, обнаружение COM во льдах дает астрономам надежду на лучшее понимание происхождения других, еще более крупных молекул в космосе.

Гарольд Линнарц^[2] на протяжении многих лет руководил Лабораторией астрофизики в Лейдене и координировал измерения данных, использованных в этом исследовании. Эвин ван Дишок из Лейденского университета, один из координаторов программы JOYS+, поделилась: «Гарольд был особенно рад, что лабораторная работа по заданиям COM могла сыграть важную роль, поскольку к этому шла уже много времени».

Ученые также стремятся выяснить, в какой степени эти COM переносятся на планеты на гораздо более поздних стадиях эволюции протозвезды. СОМ во льдах более эффективно транспортируются в планетообразующие диски, чем газ из облаков. Таким образом, эти ледяные COM могут быть унаследованы кометами и астероидами, которые, в свою очередь, могут столкнуться с формирующимися планетами. В этом сценарии на эти планеты могут быть доставлены COM, потенциально обеспечивая ингредиенты для процветания жизни.

Более широкий астрохимический контекст

Научная группа также обнаружила более простые молекулы, в том числе метан, муравьиную кислоту (которая делает укусы муравьев болезненными), диоксид серы и формальдегид. Диоксид серы, в частности, позволяет команде исследовать баланс серы, доступный в протозвездах. Кроме того, он представляет пребиотический интерес, поскольку существующие исследования показывают, что серосодержащие соединения играли важную роль в запуске метаболических реакций на примитивной Земле. Также были обнаружены отрицательные ионы;^[3] они входят в состав солей, которые имеют решающее значение для дальнейшего развития химической сложности при более высоких температурах. Это указывает на то, что льды могут быть гораздо более сложными и требуют дальнейших исследований.

Особый интерес представляет то, что один из исследованных источников, IRAS 2A, характеризуется как протозвезда малой массы. Таким образом, IRAS 2A может иметь сходство с первобытными стадиями нашей Солнечной системы. В этом случае химическое вещество разновидность идентифицированные в этой протозвезде, возможно, присутствовали на первых этапах развития нашей Солнечной системы и позже были доставлены на примитивную Землю.

Все эти молекулы могут стать частью комет и астероидов и, в конечном итоге, новых планетных систем, когда ледяной материал будет перенесен внутрь планетообразующих дисков по мере развития протозвездной системы», — сказал ван Дишок. «Мы с нетерпением ждем возможности шаг за шагом следовать по этому астрохимическому пути, получая больше данных Уэбба в ближайшие годы».

Другой недавняя работа Пунех Назари из Лейденской обсерватории также вселяет надежды астрономов на обнаружение более сложных объектов во льдах после предварительного обнаружения метилцианида и этилцианида по данным Webb NIRSpec. Назари говорит: «Впечатляет, как Уэбб теперь позволяет нам дополнительно исследовать химию льда вплоть до уровня цианидов, важных ингредиентов в химии пребиотиков».

Примечания

1. Молекула – это частица, состоящая из двух или более атомов, связанных между собой химическими связями. Сложная органическая молекула – это молекула с несколькими атомами углерода.
2. Эти результаты посвящены члену команды профессору Гарольду Линнарцу, который неожиданно скончался в декабре 2023 года, вскоре после принятия этой статьи. Линнарц внес значительный вклад в изучение молекул газа и льда в космосе. Он был директором Лейденской лаборатории астрофизики, и многие из спектров ледяной фазы простых и сложных молекул, использованных в этом исследовании, были собраны студентами под его руководством. Линнарц был в восторге от качества данных Уэбба и значимости этих результатов для астрохимии.
3. Ион – это атом или молекула, которая имеет общий электрический заряд, возникающий в результате избытка или дефицита числа отрицательных электронов по сравнению с количеством положительных протонов в ионе. Отрицательный ион — это ион с суммарным отрицательным зарядом (то есть с избытком электронов).

Ссылка: «Наблюдения молодых протозвезд JWST (JOYS+): обнаружение ледяных сложных органических молекул и ионов – I. CH4, SO2, HCOO-, OCN-, H2CO, HCOOH, CH3CH2OH, CH3CHO, CH3OCHO и CH3COOH», автор WRM Rocha, EF. ван Дишок, М.Э. Ресслер, М.Л. ван Гелдер, К. Славицинска, Н.Г.С. Брункен, Х. Линнарц, Т.П. Рэй, Х. Бойтер, А. Каратти о Гаратти, В. Гирс, П.Дж. Кавана, П.Д. Клаассен, К. Юсттанонт, Й. Чен, Л. Фрэнсис, К. Гизер, Дж. Перотти, Л. Тихонец, М. Барсонь, Л. Маюмдар, В. Ж. М. ле Гуэльек, ЛЕУ Чу, Б.В.П. Лью, Т. Хеннинг и Дж. Райт, 13 марта 2024 г., Астрономия и астрофизика.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348427

Больше информации

Эти наблюдения были проведены в рамках программы JOYS+ (Наблюдения молодых протозвезд Джеймса Уэбба), координируемой Эвин ван Дишок из Лейденского университета в Нидерландах и Майклом Ресслером из Лаборатории реактивного движения НАСА. Исследование возглавил Лейденский университет Уилла Роча. Исследования цианата проводились в рамках программы IPA (Исследование протозвездной аккреции), координируемой Томом Мегитом из Университета Толедо.

Уэбб — самый большой и мощный телескоп, когда-либо запущенный в космос. В соответствии с соглашением о международном сотрудничестве ЕКА предоставило услуги по запуску телескопа с использованием ракеты-носителя Ariane 5. Работая с партнерами, ЕКА отвечало за разработку и квалификацию адаптации Ariane 5 для миссии Уэбба, а также за закупку услуг запуска от Arianespace. ЕКА также предоставило мощный спектрограф NIRSpec и 50% прибора среднего инфракрасного диапазона MIRI, который был спроектирован и изготовлен консорциумом европейских институтов, финансируемых государством (Европейский консорциум MIRI) в партнерстве с Лаборатория реактивного движения и Университет Аризоны.

Уэбб — это международное партнерство между НАСА, ЕКА и Канадским космическим агентством (CSA).