Webb scruta il nucleo ghiacciato della nube molecolare, rivelando il lato oscuro della chimica del ghiaccio prestellare

Webb ha identificato forme immobilizzate di un’ampia gamma di molecole, tra cui anidride carbonica, ammoniaca e metano.

Un team internazionale di astronomi ha annunciato l’utilizzo[{” 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] Oltre al semplice ghiaccio come l’acqua, il team è stato in grado di identificare forme congelate di un’ampia gamma di molecole, dal solfuro di carbonile, ammoniaca e metano, alla più semplice molecola organica complessa, il metanolo. (I ricercatori hanno considerato le molecole organiche complesse quando sono presenti sei o più atomi.) Questo è il censimento più completo finora degli ingredienti ghiacciati disponibili per formare le future generazioni di stelle e pianeti, prima che fossero riscaldati durante la formazione di giovani stelle.

ha affermato Melissa McClure, astronoma dell’Osservatorio di Leiden nei Paesi Bassi, che è la ricercatrice principale del programma di osservazione e autrice principale dell’articolo che descrive la scoperta. “Queste osservazioni aprono una nuova finestra sui percorsi di formazione delle molecole semplici e complesse necessarie per costruire i mattoni della vita”.

Versione annotata dell’immagine sopra. Le due stelle di sfondo utilizzate in questo studio, NIR38 e J110621, sono indicate nell’immagine in bianco. Crediti: NASA, ESA, CSA e M. Zamani (ESA/Webb); Scienze: F. Sun (Stward Observatory), Z. Smith (Open University) e il team ERS dell’era glaciale

Oltre alle molecole identificate, il team ha trovato prove di molecole più complesse del metanolo e, sebbene non abbiano attribuito definitivamente questi segnali a molecole specifiche, ciò dimostra per la prima volta che le molecole complesse si formano nelle gelide profondità delle nubi molecolari prima ancora che nascano le stelle…

ha aggiunto Will Rocha, un astronomo dell’Osservatorio di Leida che ha contribuito alla scoperta. “Questo potrebbe significare che la presenza di molecole precursori per i prebiotici nei sistemi planetari è una conseguenza comune della formazione stellare, piuttosto che una caratteristica unica del nostro sistema solare”.

Rilevando solfuri carbonilici ghiacciati contenenti zolfo, i ricercatori sono stati in grado di stimare per la prima volta la quantità di zolfo presente nei granelli di polvere prestellare ghiacciata. Sebbene la quantità misurata sia maggiore di quanto osservato in precedenza, è ancora inferiore alla quantità totale che ci si aspetterebbe di essere presente in questa nuvola, in base alla sua densità. Questo vale anche per altri CHONS. La sfida principale per gli astronomi è capire dove si nascondono questi elementi: nel ghiaccio, nel materiale simile alla fuliggine o nelle rocce. La quantità di CHONS in ogni tipo di materiale determina la quantità di questi articoli che finiscono per essere lavorati[{” 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.”

Questa ricerca fa parte di Progetto dell’era glaciale, uno dei 13 programmi Early Release di Webb. Queste osservazioni sono progettate per mostrare le capacità osservative di Webb e per consentire alla comunità astronomica di imparare come ottenere il meglio dai suoi strumenti. Il team dell’era glaciale ha già pianificato ulteriori osservazioni e spera di tracciare il viaggio del ghiaccio dalla sua formazione alla raccolta di comete ghiacciate.

“Questa è solo la prima volta in una serie di istantanee spettrali che vedremo come i ghiacci si evolvono dalla loro composizione iniziale alle regioni di formazione di comete dei dischi protoplanetari”, ha concluso McClure. “Questo ci dirà quale miscela di ghiacci – e quindi quali elementi – potrebbe eventualmente essere consegnata alle superfici degli esopianeti terrestri o incorporata nelle atmosfere dei giganti gassosi o dei pianeti ghiacciati”.

Questi risultati sono stati pubblicati nel numero del 23 gennaio di astronomia naturale.

Appunti

1. Una nube molecolare è un’enorme nube interstellare di gas e polvere in cui possono formarsi molecole come l’idrogeno e il monossido di carbonio. Agglomerati freddi e densi in nubi molecolari con densità superiori a quelle che li circondano potrebbero essere i siti di formazione stellare se collassassero per formare protostelle.

Riferimento: “Ice Age JWST Inventory of Dense Molecular Cloud Snow” di M.K. McClure, D. . Qasim, MJ Rasheed, ZL Smith, Fengo Sun, Tracy L. Beck, ACA Bogert, W. Brown, B. Caselli, SP Charnley, Herma M. Cobbin, H. Dickinson, MN 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 e H. Lennarts, 23 gennaio 2023, disponibile qui. astronomia naturale.
DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w

Il James Webb Space Telescope è il principale osservatorio di scienze spaziali del mondo. Webb risolverà i misteri nel nostro sistema solare, guarderà oltre i mondi lontani attorno ad altre stelle ed esplorerà le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. Webb è un programma internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner ESA (European Space Agency) e Canadian Space Agency.