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.