Nanodiamanter, der er ansvarlige for den mystiske kilde til mikrobølger på tværs af Mælkevejen

I årtier, astronomer har undret sig over den nøjagtige kilde til en ejendommelig type svagt mikrobølgelys, der kommer fra en række områder på tværs af Mælkevejen. Kendt som anomal mikrobølgeemission (AME), dette lys kommer fra energi frigivet af hurtigt roterende nanopartikler - stofstykker, der er så små, at de trodser påvisning af almindelige mikroskoper. (Perioden på en gennemsnitlig udskrevet side er ca. 500, 000 nanometer på tværs.)

"Selvom vi ved, at en eller anden type partikel er ansvarlig for dette mikrobølgelys, dens præcise kilde har været et puslespil, siden den først blev opdaget for næsten 20 år siden, " sagde Jane Greaves, en astronom ved Cardiff University i Wales og hovedforfatter på et papir, der annoncerer dette resultat i Natur astronomi .

Indtil nu, den mest sandsynlige synder for denne mikrobølgeemission blev anset for at være en klasse af organiske molekyler kendt som polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er) - kulstofbaserede molekyler fundet i det interstellare rum og genkendt af de forskellige, alligevel svagt infrarødt (IR) lys, de udsender. Nanodiamanter - især hydrogenerede nanodiamanter, dem, der stritter med brintbærende molekyler på deres overflader - udsender også naturligt i den infrarøde del af spektret, men på en anden bølgelængde.

En række observationer med National Science Foundations Green Bank Telescope (GBT) i West Virginia og Australia Telescope Compact Array (ATCA) har - for første gang - hjemmehørende i tre klare kilder til AME-lys, de protoplanetariske skiver, der omgiver de unge stjerner kendt som V892 Tau, HD 97048, og MWC 297. GBT observerede V892 Tau og ATCA observerede de to andre systemer.

"Dette er den første klare detektering af unormal mikrobølgeemission, der kommer fra protoplanetariske diske, " sagde David Frayer, en medforfatter på papiret og astronom med Green Bank Observatory.

Astronomerne bemærker også, at det infrarøde lys, der kommer fra disse systemer, matcher den unikke signatur af nanodiamanter. Andre protoplanetariske skiver i hele Mælkevejen, imidlertid, har PAH'ernes klare infrarøde signatur, men viser ingen tegn på AME-lyset.

Dette tyder stærkt på, at PAH'er ikke er den mystiske kilde til unormal mikrobølgestråling, som astronomer engang troede. Hellere, hydrogenerede nanodiamanter, som dannes naturligt i protoplanetariske skiver og findes i meteoritter på Jorden, er den mest sandsynlige kilde til AME-lys i vores galakse.

"I en Sherlock Holmes-lignende metode til at eliminere alle andre årsager, vi kan trygt sige, at den bedste kandidat, der er i stand til at producere denne mikrobølgeglød, er tilstedeværelsen af ​​nanodiamanter omkring disse nydannede stjerner, " sagde Greaves. Baseret på deres observationer, astronomerne vurderer, at op til 1-2 procent af det samlede kulstof i disse protoplanetariske skiver er gået til at danne nanodiamanter.

Beviser for nanodiamanter i protoplanetariske skiver er vokset i løbet af de sidste årtier. Dette er, imidlertid, den første klare forbindelse mellem nanodiamonds og AME i enhver indstilling.

Statistiske modeller understøtter også kraftigt den forudsætning, at nanodiamanter er rigeligt omkring spædbarnsstjerner og er ansvarlige for den unormale mikrobølgeemission, der findes der. "Der er en ud af 10, 000 chance, eller mindre, at denne forbindelse skyldes tilfældigheder, " sagde Frayer.

For deres forskning, astronomerne brugte GBT og ATCA til at undersøge 14 unge stjerner på tværs af Mælkevejen for antydninger af unormal mikrobølgeemission. AME var tydeligt set i 3 af de 14 stjerner, som også er de eneste 3 stjerner af de 14, der viser IR-spektralsignaturen for hydrogenerede nanodiamanter. "Faktisk, disse er så sjældne, " bemærker Greaves, "ingen andre unge stjerner har det bekræftede infrarøde aftryk."

Denne påvisning har interessante implikationer for studiet af kosmologi og søgen efter beviser for, at vores univers begyndte med en periode med inflation. Hvis umiddelbart efter Big Bang, vores univers voksede i et tempo, der langt oversteg lysets hastighed, et spor af den periode med inflation bør ses i en ejendommelig polarisering af den kosmiske mikrobølgebaggrund. Selvom denne signatur af polarisering endnu ikke er blevet endeligt opdaget, værket af Greaves og hendes kolleger giver et vist håb om, at det kunne være det.

"Dette er gode nyheder for dem, der studerer polarisering af den kosmiske mikrobølgebaggrund, da signalet fra spindende nanodiamanter i bedste fald ville være svagt polariseret, " sagde Brian Mason, en astronom ved National Radio Astronomy Observatory og medforfatter på papiret. "Det betyder, at astronomer nu kan lave bedre modeller af mikrobølgelyset i forgrunden fra vores galakse, som skal fjernes for at studere det fjerne efterglød fra Big Bang."

Nanodiamanter dannes sandsynligvis af en overophedet damp af kulstofatomer i stærkt energifyldte stjernedannende områder. Dette er ikke ulig industrielle metoder til at skabe nanodiamanter på Jorden.

I astronomi, nanodiamanter er specielle ved, at deres struktur producerer det, der er kendt som et "dipolmoment - et arrangement af atomer, der gør det muligt for dem at udsende elektromagnetisk stråling, når de spinder. Fordi disse partikler er så små - mindre end normale støvpartikler i en protoplanetarisk skive - de er i stand til at dreje usædvanligt hurtigt, udsender stråling i mikrobølgeområdet snarere end i meter-bølgelængdeområdet, hvor galaktisk og intergalaktisk stråling sandsynligvis ville overdøve den.

"Dette er en cool og uventet løsning på puslespillet med unormal mikrobølgestråling, " konkluderede Greaves. "Det er endnu mere interessant, at det blev opnået ved at se på protoplanetariske diske, kaste lys over de kemiske egenskaber ved tidlige solsystemer, inklusive vores egen."

"Det er et spændende resultat, " konkluderede medforfatter Anna Scaife fra Manchester University. "Det er ikke ofte, du finder dig selv i at sætte nye ord på berømte melodier, men 'AME in the Sky with Diamonds' virker som en tankevækkende måde at opsummere vores forskning på."

Fremtidige centimeter-bølge instrumenter, ligesom de planlagte Band 1-modtagere på ALMA og Next Generation Very Large Array, vil være i stand til at studere dette fænomen meget mere detaljeret. Nu hvor der er en fysisk model og, for første gang, en klar spektral signatur, astronomer forventer, at vores forståelse vil forbedres hurtigt.