يرى ويب سحابة جزيئية لقلب متجمد – مما يكشف عن الجانب المظلم لكيمياء الجليد ما قبل النجمي

حدد ويب الأشكال المجمدة للجزيئات المختلفة ، بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون والأمونيا والميثان.

تم الإعلان عن اكتشاف جليد مختلف في أحلك المناطق من أبرد سحابة جزيئية تم قياسها حتى الآن من قبل مجموعة دولية من علماء الفلك.[{” 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] بالإضافة إلى الجليد البسيط مثل الماء ، تمكن الفريق من تحديد الأشكال المجمدة لمجموعة واسعة من الجزيئات ، من كبريتيد الكربونيل والأمونيا والميثان إلى أبسط جزيء عضوي معقد الميثانول. (يعتبر الباحثون أن الجزيئات العضوية معقدة عندما تحتوي على ست ذرات أو أكثر.) هذا هو المسح الأكثر شمولاً حتى الآن للمواد الخام الجليدية المتاحة لتشكيل الأجيال القادمة من النجوم والكواكب ، قبل أن ترتفع درجة حرارتها مع تشكل النجوم الفتية.

قالت عالمة الفلك ميليسا مكلور من مرصد لايدن: “تقدم نتائجنا نظرة ثاقبة حول الكيمياء المظلمة المبكرة للجليد المتكون في الغبار بين النجوم ، والذي ينمو إلى حصى بحجم السنتيمتر تتشكل منها الكواكب في أقراص”. هولندا ، الباحث الرئيسي في مشروع المراقبة والمؤلف الرئيسي للورقة التي تصف هذه النتيجة. “تفتح هذه الملاحظات نافذة جديدة على مسارات التكوين للجزيئات البسيطة والمعقدة اللازمة لتشكيل اللبنات الأساسية للحياة.”

نسخة مشروحة من الصورة أعلاه. نجمتا الخلفية المستخدمتان في هذه الدراسة ، NIR38 و J110621 ، تم تمييزهما باللون الأبيض في الشكل. الائتمان: وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية وم. زماني (وكالة الفضاء الأوروبية / ويب) ؛ العلوم: F. صن (مرصد ستيوارت) ، ز. Smith (الجامعة المفتوحة) ، ومجموعة Ice Age ERS Group

بالإضافة إلى الجزيئات التي تم تحديدها ، وجد الفريق دليلاً على وجود جزيئات أكثر تعقيدًا من الميثانول ، وعلى الرغم من أنهم لم ينسبوا هذه الإشارات إلى جزيئات معينة ، إلا أنه يوضح لأول مرة أن الجزيئات المعقدة تتشكل في الأعماق الجليدية للسحب الجزيئية. قبل أن تولد النجوم.

قال ويل روشا ، عالم الفلك في مرصد لايدن ، “إن تحديدنا للجزيئات العضوية المعقدة ، مثل الميثانول وربما الإيثانول ، يشير إلى أن العديد من النجوم وأنظمة الكواكب التي تنمو في هذه السحابة المعينة ترث الجزيئات في حالة كيميائية أكثر تقدمًا”. لهذا الاكتشاف. “هذه نتيجة عامة لتشكيل النجوم أكثر من وجود سلائف لجزيئات البريبايوتك في أنظمة الكواكب ، بدلاً من كونها سمة فريدة لنظامنا الشمسي.”

من خلال الكشف عن كبريتيد الكربونيل الجليدي الذي يحتوي على الكبريت ، تمكن الباحثون لأول مرة من تقدير كمية الكبريت الموجودة في حبيبات الغبار الجليدية قبل النجمية. على الرغم من أن الكمية المقاسة أكبر مما لوحظ سابقًا ، إلا أنها لا تزال أقل من الكمية الإجمالية المتوقع وجودها في هذه السحابة بناءً على كثافتها. ينطبق هذا أيضًا على عناصر CHONS الأخرى. يتمثل التحدي الرئيسي لعلماء الفلك في فهم مكان إخفاء هذه العناصر: في الجليد أو في المواد الشبيهة بالسخام أو في الصخور. يحدد مقدار CHONS في كل نوع من الكائنات إلى أي مدى تنتهي هذه العناصر[{” 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.”

https://www.youtube.com/watch؟v=i6wJj3hTbx0

هذا جزء من البحث مشروع العصر الجليدي، واحد من 13 مشروعًا علميًا للنشر المبكر لـ Webb. تم تصميم هذه الملاحظات لإظهار قدرات ويب Webb في مجال الرصد وتعليم المجتمع الفلكي كيفية الحصول على أفضل ما في أدواته. يخطط فريق العصر الجليدي بالفعل لأرصاد إضافية ويأمل في تتبع رحلة مكعبات الجليد من تكوينها إلى تركيب المذنبات الجليدية.

وخلص مكلور إلى أن “هذه هي المرة الأولى في سلسلة من اللقطات الطيفية التي سنرى كيف تتطور الجليد من تكوينها الأولي إلى مناطق تكوين مذنبات لأقراص الكواكب الأولية”. “سيخبرنا هذا عن تركيبة الجليد – وبالتالي العناصر – التي قد يتم تزويدها في نهاية المطاف بأسطح الكواكب الخارجية الأرضية أو دمجها في الغلاف الجوي للغاز العملاق أو الكواكب الجليدية.”

تم نشر النتائج في عدد 23 يناير من علم الفلك الطبيعي.

ملاحظات

1. السحابة الجزيئية هي سحابة ضخمة بين النجوم من الغاز والغبار يمكن أن تتكون فيها جزيئات مثل الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. التجمعات الباردة والكثيفة في السحب الجزيئية التي تكون أكثر كثافة من المناطق المحيطة بها هي مواقع تشكل النجوم.

المرجع: “Ice Age JWST Inventory of Dense Molecular Cloud Ices” بقلم MK McClure و WRM Rocha و KM Pontoppidan و N. Crouzet و LEU Chu و E. Dartois و T. Lamberts و JA Noble و YJ Pendleton و G. Perotti و D Kasim ، MG Rachid ، ZL Smith ، Fengwu Sun ، Tracy L. Beck ، ACA Boogert ، WA Brown ، B. كاسيلي ، إس بي تشارنلي ، هيرما م. كابان ، هـ. ديكنسون ، مينيسوتا دروستوفسكايا ، إي. إيجامي ، ج. إيرجيل ، هـ. فريزر ، أر دي كاروت ، د. هارسونو ، س. Ioppolo، I. خيمينيز سيرا ، م. جين ، ج. Jorgensen ، L.E. كريستنسن ، دي سي LIS ، السيدة. مكوسترو ، بريت أ. ماكجواير ، ج. ميلنيك ، كارين آي. Oberg ME Palumbo ، T. Shimonishi ، JA Sturm ، EF van Dishoek and H. Linnaerts ، 23 كانون الثاني (يناير) 2023 ، علم الفلك الطبيعي.
DOI: 10.1038 / s41550-022-01875-w

تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو مختبر علوم الفضاء الأول في العالم. سيحل Webb ألغاز نظامنا الشمسي ، وينظر إلى ما وراء العوالم البعيدة حول النجوم الأخرى ، ويستكشف الهياكل والأصول الغامضة لكوننا ومكاننا فيه. Webb هو مشروع دولي تقوده وكالة ناسا وشركاؤها ESA (وكالة الفضاء الأوروبية) ووكالة الفضاء الكندية.