Уэбб раскрывает важные сведения о химии льда в молекулярных облаках

Благодаря данным “Джеймса Уэбба” о плотной области Хамалеон I, была проведена настоящая перепись самого глубокого и холодного льда, измеренного до сих пор в молекулярном облаке. Исследователи смогли идентифицировать замороженные формы широкого спектра молекул, включая аммиак, метан и даже метанол, простейшую сложную органическую молекулу. Полученный результат позволяет изучить, какие сложные молекулы будут включены в состав будущих экзопланет, составляя часть основных строительных блоков для жизни.

С помощью аппарата “Джеймс Уэбб” ученые получили настоящую опись самых глубоких и холодных льдов, измеренных в молекулярном облаке на сегодняшний день. Результат основан на данных приборов “Уэбба”, касающихся молекулярного облака Хамелеон I. Это особенно холодная и плотная область в 630 световых годах от Земли, в которой вот-вот сформируются десятки молодых звезд.

Помимо простых льдов, таких как вода, команда смогла обнаружить замороженные формы широкого спектра молекул: от карбонилсульфида, аммиака и метана до простейшей сложной органической молекулы – метанола. При этом она провела самую полную на сегодняшний день перепись замороженных ингредиентов, доступных для создания будущих поколений звезд и планет.

Это достижение позволяет астрономам изучить простые молекулы льда, которые будут входить в состав будущих экзопланет, открывая новое окно в происхождение более сложных молекул. Мелисса МакКлюр, астроном из Лейденской обсерватории и ведущий автор посвященной этому статьи, сказала:

Наши результаты дают информацию о начальной темной химической фазе образования льда на зернах межзвездной пыли, которые впоследствии вырастут в сантиметровые камешки, из которых формируются планеты в дисках. Эти наблюдения открывают новое окно в пути формирования простых и сложных молекул, необходимых для создания строительных блоков жизни.

От льда к строительным блокам жизни

Лед – ключевой ингредиент, делающий планету пригодной для жизни. Фактически, это основной источник таких ключевых элементов, как углерод, водород, кислород, азот и сера, известных как CHONS. Эти химические элементы важны как в атмосферах планет, так и в молекулах, таких как сахара, спирты и простые аминокислоты.

В дополнение к обнаруженным молекулам, в Хамалеоне I команда нашла свидетельства существования молекул более сложных, чем метанол. Это впервые показывает, что сложные молекулы образуются в ледяных глубинах молекулярных облаков до рождения звезд. Более того, их присутствие позволяет предположить, что звездные и планетарные системы, развивающиеся в этом конкретном облаке, унаследуют молекулы в достаточно развитом химическом состоянии.

Обнаружив карбонилсульфид в серосодержащем льду, исследователи впервые смогли оценить количество серы, содержащейся в дозвездных ледяных пылевых зернах. Хотя измеренное количество больше, чем наблюдалось ранее, оно все равно меньше общего количества, которое должно присутствовать в этом облаке, исходя из его плотности.

Это относится и к другим элементам CHONS. Одна из задач – понять, где прячутся эти элементы: во льду, в сажеподобных материалах или в горных породах. Количество CHONS в каждом типе материала определяет, сколько этих элементов окажется в атмосферах экзопланет, а сколько – в их внутреннем пространстве. “Тот факт, что мы не увидели столько CHONS, сколько ожидали, может указывать на то, что они заперты в более каменистых или сажевых материалах, которые мы не можем измерить“, — пояснил МакКлюр. “Это может позволить увеличить разнообразие в массовом составе земных планет“.

Характеристика льда

Чтобы дать химическую характеристику льда, ученые изучили, как свет звезд из-за пределов молекулярного облака поглощается молекулами льда внутри облака на определенных инфракрасных длинах волн, видимых Уэббом. Этот процесс оставляет химические отпечатки в электромагнитном спектре, известные как линии поглощения. Их можно сравнить с лабораторными данными, чтобы определить, какие льды присутствуют в молекулярном облаке.

Исследователи использовали фоновую звезду NIR38, чтобы осветить Хамелеон I. По линиям поглощения полученных спектров они смогли определить, какие вещества присутствуют в молекулярном облаке.

Ниже приведены графики, показывающие спектральные данные, полученные с помощью трех инструментов “Джеймса Уэбба”. На левой верхней и нижней панелях показана светимость звезды в фоне в зависимости от длины волны. Более низкая яркость указывает на поглощение льдом и другими материалами в молекулярном облаке. На правой нижней панели показана оптическая глубина – логарифмическая мера того, сколько света от звезды на заднем плане поглощается льдом в облаке.

Проект “Ледниковый период” с Уэббом

Исследование является частью проекта “Ледниковый период”, одной из 13 научных программ Уэбба “Раннее освобождение”. Эти наблюдения призваны продемонстрировать наблюдательные возможности Уэбба и позволить астрономическому сообществу узнать, как получить максимальную отдачу от его инструментов.

“Мы не смогли бы наблюдать эти льды без “Уэбба”“, — объяснил Клаус Понтоппидан, научный сотрудник проекта “Уэбб” в Научном институте космического телескопа в Балтиморе, который принимал участие в этом исследовании. “В таких холодных и плотных регионах большая часть света от звезды на заднем плане блокируется. Изысканная чувствительность Вебба была необходима для обнаружения света звезды и, таким образом, идентификации льда в молекулярном облаке”.

Команда “Ледникового периода” уже запланировала дальнейшие наблюдения. Они надеются проследить путь льда от его образования до сборки ледяных комет. Это даст новые подсказки о том, какие ледяные смеси могут быть перенесены на поверхности земных экзопланет или внедрены в атмосферы газовых гигантов.