De aanwezigheid van complexe organische moleculen in de vaste fase in protosterren werd tientallen jaren geleden voor het eerst voorspeld op basis van laboratoriumexperimenten, en er zijn voorzichtige detecties van deze moleculen gedaan door andere ruimtetelescopen. Dit geldt ook voor Webb's Early Release Science Ice Age-programma, dat met succes diverse soorten ijs ontdekte in de donkerste, koudste regionen van een moleculaire wolk.
Als onderdeel van het JOYS+(James Webb Observations of Young ProtoStars)-programma, zijn deze complexe organische moleculen met het gevoelige midinfraroodinstrument MIRI individueel geïdentificeerd en hiermee is bevestigd dat ze aanwezig zijn in het interstellaire ijs. Het gaat om de detectie van aceetaldehyde (ethanal), ethanol, methylformiaat en waarschijnlijk azijnzuur, in de vaste fase.
Deze ontdekking draagt bij aan het beantwoorden van al lang bestaande vragen in de astrochemie. Teamleider Will Rocha van de Sterrewacht Leiden licht toe: "Wat is de oorsprong van de complexe organische moleculen in de ruimte? Worden ze gemaakt in de gasfase of in ijs? De ontdekking van complexe organische moleculen in ijs suggereert dat chemische reacties in de vaste fase op het oppervlak van koude stofkorrels complexe soorten moleculen kunnen bouwen."
Opgedragen aan Harold Linnartz
Het team heeft de resultaten van dit onderzoek opgedragen aan teamlid Harold Linnartz, die eind vorig jaar plotseling overleed. Hij was directeur van het Leidse Laboratorium voor astrofysica en veel van de ijsspectra van eenvoudige en complexe moleculen die in dit onderzoek werden gebruikt, werden door studenten onder zijn supervisie verzameld. Linnartz was verrukt over de kwaliteit van de Webb-gegevens die deze identificaties mogelijk maakten, en het belang van deze resultaten voor de astrochemie. "Harold was reuzeblij dat het labwerk in dit onderzoek zo'n belangrijke rol kon spelen, want er was een lange weg te gaan voordat het zover was," aldus Ewine van Dishoeck (Universiteit Leiden), een van de coördinatoren van het JOYS+-programma.
Wetenschappers willen ook graag onderzoeken in welke mate complexe organische moleculen naar planeten worden getransporteerd in veel latere stadia van de protostellaire evolutie. De moleculen worden efficiënter in ijs dan in gas getransporteerd van wolken naar planeetvormende schijven. Deze ijzige complexe organische moleculen kunnen daardoor terechtkomen op kometen en planetoïden die op hun beurt in botsing kunnen komen met planeten in wording.
Ook eenvoudiger moleculen
Het team ontdekte ook eenvoudiger moleculen, waaronder methaan, zwaveldioxide, formaldehyde en mierenzuur. Vooral zwaveldioxide stelt het team in staat om het 'zwavelbudget' in protosterren te onderzoeken. Daarnaast is het van prebiotisch belang omdat bestaand onderzoek suggereert dat zwavelhoudende verbindingen een belangrijke rol speelden in het aansturen van metabolische reacties op de jonge aarde. Er werden ook negatieve ionen gedetecteerd, die deel uitmaken van zouten die cruciaal zijn voor de ontwikkeling van verdere chemische complexiteit bij hogere temperaturen. Dit geeft aan dat de samenstelling van ijsdeeltjes nog veel complexer kan zijn.
Bijzonder interessant is dat een van de onderzochte bronnen, IRAS 2A, wordt gekarakteriseerd als een protoster met een lage massa. IRAS 2A kan daarom overeenkomsten vertonen met de oerfasen van ons eigen zonnestelsel. De chemische stoffen die in deze bron zijn geïdentificeerd, waren waarschijnlijk aanwezig in de eerste ontwikkelingsstadia van ons zonnestelsel en werden later naar de jonge aarde gebracht.
"Al deze moleculen kunnen deel gaan uitmaken van kometen en planetoïden en uiteindelijk van nieuwe planetenstelsels wanneer het ijzige materiaal naar binnen wordt getransporteerd naar de planeetvormende schijven," aldus Van Dishoeck. "We kijken ernaar uit om dit astrochemische spoor de komende jaren stap voor stap verder te volgen, met nieuwe Webb-gegevens."
En cyaniden
Ander recent werk van Pooneh Nazari van de Sterrewacht Leiden wekt ook de hoop van astronomen op het vinden van meer complexiteit in ijs, met de voorzichtige detecties van methylcyanide en ethylcyanide in de NIRSpec-gegevens van Webb. Nazari zegt: "Het is indrukwekkend hoe Webb ons nu in staat stelt om de chemie van ijs verder te onderzoeken tot op het niveau van cyaniden, belangrijke ingrediënten in de prebiotische chemie."
Wetenschappelijke artikelen
JWST Observations of Young protoStars (JOYS+): Detection of icy complex organic molecules and ions. I. CH4, SO2, HCOO−, OCN−, H2CO, HCOOH, CH3CH2OH, CH3CHO, CH3OCHO, CH3COOH. Door: W.R.M. Rocha, E.F. van Dishoeck, M.E. Ressler, M.L. van Gelder, K. Slavicinska, N.G.C. Brunken, H. Linnartz, T.P. Ray, H. Beuther, A. Caratti o Garatti, V. Geers, P.J. Kavanagh, P.D. Klaassen, K. Justannont, Y. Chen, L. Francis, C. Gieser, G. Perotti, Ł. Tychoniec, M. Barsony, L. Majumdar, V.J.M. le Gouellec, L.E.U. Chu, B.W.P. Lew, Th. Henning, G. Wright. Geaccepteerd voor publicatie in Astronomy & Astrophysics [origineel | preprint]
Hunt for complex cyanides in protostellar ices with JWST- Tentative detection of CH3CN and C2H5CN. Door: P. Nazari, W.R.M. Rocha, A.E. Rubinstein, K. Slavicinska, M.G. Rachid, E.F. van Dishoeck, S.T. Megeath, R. Gutermuth, H. Tyagi, N. Brunken, M. Narang, P. Manoj, D.M. Watson, N.J. Evans II, S. Federman, J. Muzerolle Page, G. Anglada, H. Beuther, P. Klaassen, L.W. Looney, M. Osorio, T. Stanke, Y.-L. Yang. Geaccepteerd voor publicatie in Astronomy & Astrophysics [preprint]
Meer informatie
De waarnemingen in dit onderzoek zijn gedaan als onderdeel van het JOYS+-programma (James Webb Observations of Young ProtoStars), gecoördineerd door Ewine van Dishoeck van de Universiteit Leiden en Michael Ressler van NASA's Jet Propulsion Laboratory, VS. Het onderzoek werd geleid door Will Rocha van de Universiteit Leiden. De cyanaatstudies werden uitgevoerd als onderdeel van het IPA-programma (Investigating Protostellar Accretion), gecoördineerd door Tom Megeath van de Universiteit van Toledo, VS.
Samengestelde afbeelding van een stukje van de meetkamer (zilver) die wordt gebruikt in laboratoriumexperimenten met interstellaire ijsanalogen, het gebied rond de bron IRAS23385 (oranje) en een schematische weergave van de moleculen die waargenomen zijn. (c) JWST/MIRI, Will Rocha et al. [hoge resolutie]
Dit bericht is gebaseerd op een Engelstalig bericht van ESA/Webb:
https://esawebb.org/news/weic2409