ALMA afslører kulstofrige, organiske fødselsmiljøer for planeter

Et internationalt samarbejde mellem forskere, der bruger Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) har afsluttet den mest omfattende kemiske sammensætning kortlægning af de protoplanetariske skiver omkring fem nærliggende unge stjerner i høj opløsning, producere billeder, der fanger den molekylære sammensætning forbundet med planetariske fødsler, og en køreplan for fremtidige undersøgelser af sammensætningen af ​​planet- og kometdannende regioner. Den nye undersøgelse afslører spor om molekylers rolle i planetarisk systemdannelse, og om disse unge planetariske systemer under opbygning har det, der skal til for at være vært for liv. Resultaterne af programmet, passende kaldet MAPS, eller molekyler med ALMA på planetdannende skalaer, vil blive vist i en kommende 20-papirs specialudgave af Astrophysical Journal Supplement serie.

Planeter dannes i skiverne af støv og gas kaldet protoplanetariske skiver, der omgiver unge stjerner. Den kemiske sammensætning af disse diske kan have en indvirkning på planeterne selv, herunder hvordan og hvor planetarisk dannelse finder sted, den kemiske sammensætning af planeterne, og om disse planeter har den nødvendige organiske sammensætning til at understøtte liv. MAPS kiggede specifikt på de protoplanetariske skiver omkring de unge stjerner IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296, og MWC 480, hvor beviser for igangværende planetdannelse allerede er blevet opdaget. Projektet førte til flere spændende opdagelser, herunder en forbindelse mellem støv og kemiske understrukturer og tilstedeværelsen af ​​store reservoirer af organiske molekyler i stjernernes indre skiveområder.

"Med ALMA var vi i stand til at se, hvordan molekyler er fordelt, hvor exoplaneter i øjeblikket samles, sagde Karin Öberg, en astronom ved Center for Astrofysik | Harvard &Smithsonian (CfA) og hovedefterforskeren for MAPS. "En af de virkelig spændende ting, vi så, er, at de planetdannende skiver omkring disse fem unge stjerner er fabrikker af en særlig klasse af organiske molekyler, såkaldte nitriler, som er impliceret i livets oprindelse her på Jorden."

Simple organiske molekyler som HCN, C2H, og H2CO blev observeret gennem hele projektet i hidtil usete detaljer, takket være følsomheden og opløsningsevnen i ALMAs Band 3- og Band 6-modtagere. "I særdeleshed, vi var i stand til at observere mængden af ​​små organiske molekyler i de indre områder af diske, hvor klippeplaneter sandsynligvis samles, " sagde Viviana V. Guzmán, en astronom ved Pontificia Universidad Católica de Chiles Instituto de Astrofísica, hovedforfatter på MAPS VI og en MAPS co-Principal Investigator. "Vi opdager, at vores eget solsystem ikke er specielt unikt, og at andre planetsystemer omkring andre stjerner har nok af de grundlæggende ingredienser til at danne livets byggesten."

Forskere observerede også mere komplekse organiske molekyler som HC3N, CH3CN, og c-C3H2 - især dem, der indeholder kulstof, og vil derfor højst sandsynligt fungere som råvare for større, præbiotiske molekyler. Selvom disse molekyler er blevet påvist i protoplanetariske skiver før, MAPS er den første systematiske undersøgelse på tværs af flere diske med meget høj rumlig opløsning og følsomhed, og den første undersøgelse, der fandt molekylerne i små skalaer og i så betydelige mængder. "Vi fandt flere af de store organiske molekyler end forventet, en faktor på 10 til 100 mere, placeret i de indre skiver på skalaer i solsystemet, og deres kemi ligner den for solsystemets kometer, " sagde John Ilee, en astronom ved University of Leeds og hovedforfatteren af ​​MAPS IX. "Tilstedeværelsen af ​​disse store organiske molekyler er væsentlig, fordi de er trædestenene mellem simplere kulstofbaserede molekyler såsom kulilte, som findes i overflod i rummet, og de mere komplekse molekyler, der kræves for at skabe og opretholde liv."

Molekyler er ikke ensartet fordelt på planetdannende skiver, imidlertid, som det fremgår af MAPS III og IV, som afslørede, at selvom de generelle skivesammensætninger ser ud til at ligne solsystemet, zoom ind i høj opløsning afslører en vis forskellighed i sammensætning, der kan resultere i planet-til-planet forskelle. "Molekylær gas i protoplanetariske skiver findes ofte i sæt af forskellige ringe og mellemrum, " sagde Charles Law, CfA-astronom og hovedforfatter på MAPS III og IV. "Men den samme disk observeret i forskellige molekylære emissionslinjer ser ofte helt anderledes ud, hvor hver skive har flere molekylære flader. Dette betyder også, at planeter på forskellige skiver eller endda i den samme skive på forskellige steder kan dannes i radikalt forskellige kemiske miljøer." Det betyder, at nogle planeter dannes med de nødvendige værktøjer til at bygge og opretholde liv, mens andre planeter i nærheden ikke kan.

Et af de radikalt forskellige miljøer forekommer i rummet omkring Jupiter-lignende planeter, hvor videnskabsmænd fandt ud af, at gassen var fattig på kulstof, ilt, og tungere elementer, mens rig på kulbrinter, såsom metan. "Den kemi, der ses i protoplanetariske skiver, bør nedarves ved at danne planeter, sagde Arthur Bosman, en astronom ved University of Michigan og hovedforfatter af MAPS VII. "Vores resultater tyder på, at mange gasgiganter kan dannes med ekstremt iltfattige (kulstofrige) atmosfærer, udfordrer de nuværende forventninger til planetsammensætninger."

Taget alt sammen, MAPS leverer præcis det:et kort for forskere at følge, forbinder prikkerne mellem gassen og støvet i en protoplanetarisk skive og de planeter, der til sidst dannes af dem for at skabe et planetsystem. "En planets sammensætning er en registrering af placeringen på skiven, hvor den blev dannet, " sagde Bosman. "Ved at forbinde planet- og skivesammensætningen sætter vi os i stand til at kigge ind i en planets historie og hjælper os med at forstå de kræfter, der dannede den."

Joe Pesce, astronom og ALMA-programmedarbejder ved National Science Foundation (NSF) siger, "Om der eksisterer liv hinsides Jorden er et af menneskehedens grundlæggende spørgsmål. Vi ved nu, at planeter findes overalt, og det næste skridt er at afgøre, om de har de nødvendige betingelser for livet, som vi kender det (og hvor almindelig den situation kan være). MAPS-programmet vil hjælpe os med bedre at besvare disse spørgsmål. ALMAs søgen efter forstadier til liv langt fra Jorden supplerer undersøgelser udført i laboratorier, og på steder som hydrotermiske åbninger på Jorden."

Öberg siger, "MAPS er kulminationen på årtiers arbejde med kemien af ​​planetdannende diske udført af forskere, der bruger ALMA og dets forløbere. Selvom MAPS kun har undersøgt fem diske på dette tidspunkt, vi havde ingen anelse om, hvor kemisk komplekse og visuelt imponerende disse diske virkelig var indtil nu. MAPS har først besvaret spørgsmål, vi ikke kunne have forestillet os at stille for årtier siden, og præsenterede os også for mange flere spørgsmål at besvare."