Første videnskab med ALMAs højeste frekvensegenskaber

ALMA-teleskopet i Chile har transformeret, hvordan vi ser universet, viser os ellers usynlige dele af kosmos. Denne række af utrolig præcise antenner studerer en forholdsvis højfrekvent splint af radiolys:bølger, der spænder fra nogle få tiendedele af en millimeter til flere millimeter i længden. For nylig, videnskabsmænd pressede ALMA til dets grænser, udnytte arrayets højeste frekvens (korteste bølgelængde) kapaciteter, som kigger ind i en del af det elektromagnetiske spektrum, der skræver grænsen mellem infrarødt lys og radiobølger.

"Højfrekvente radioobservationer som disse er normalt ikke mulige fra jorden, " sagde Brett McGuire, en kemiker ved National Radio Astronomy Observatory i Charlottesville, Virginia, og hovedforfatter på et papir, der vises i Astrofysiske tidsskriftsbreve . "De kræver ALMAs ekstreme præcision og følsomhed, sammen med nogle af de tørreste og mest stabile atmosfæriske forhold, der kan findes på Jorden."

Under ideelle atmosfæriske forhold, som fandt sted om aftenen den 5. april 2018, astronomer trænede ALMAs højeste frekvens, submillimeter syn på et mærkeligt område af Kattepotetågen (også kendt som NGC 6334I), et stjernedannende kompleks beliggende omkring 4, 300 lysår fra Jorden i retning af det sydlige stjernebillede Scorpius.

Tidligere ALMA-observationer af denne region ved lavere frekvenser afslørede turbulent stjernedannelse, et meget dynamisk miljø, og et væld af molekyler inde i tågen.

For at observere ved højere frekvenser, ALMA-antennerne er designet til at rumme en række "bånd" - nummereret 1 til 10 - som hver studerer en bestemt splint af spektret. Bånd 10-modtagerne observerer ved den højeste frekvens (korteste bølgelængder) af ethvert af ALMA-instrumenterne, dækker bølgelængder fra 0,3 til 0,4 millimeter (787 til 950 gigahertz), som også anses for at være langbølget infrarødt lys.

Disse første af deres slags ALMA-observationer med bånd 10 gav to spændende resultater.

Jets of Steam fra Protostar

Et af ALMAs første Band 10-resultater var også et af de mest udfordrende, den direkte observation af vanddampstråler, der strømmer væk fra en af ​​de massive protostjerner i regionen. ALMA var i stand til at detektere det submillimeter-bølgelængde lys, der naturligt udsendes af tungt vand (vandmolekyler, der består af oxygen, hydrogen- og deuteriumatomer, som er brintatomer med en proton og en neutron i deres kerne).

"Normalt, vi ville slet ikke være i stand til at se dette særlige signal direkte fra jorden, " sagde Crystal Brogan, en astronom ved NRAO og medforfatter på papiret. "Jordens atmosfære, selv på bemærkelsesværdigt tørre steder, indeholder stadig nok vanddamp til fuldstændig at overvælde dette signal fra enhver kosmisk kilde. Under usædvanligt uberørte forhold i den høje Atacama-ørken, imidlertid, ALMA kan faktisk registrere det signal. Dette er noget, som intet andet teleskop på Jorden kan opnå."

Når stjerner begynder at dannes ud af massive skyer af støv og gas, materialet omkring stjernen falder ned på massen i midten. En del af dette materiale, imidlertid, bliver drevet væk fra den voksende protostjerne som et par jetfly, som bortfører gas og molekyler, inklusive vand.

Det tunge vand, som forskerne observerede, flyder væk fra enten en enkelt protostjerne eller en lille klynge af protostjerner. Disse jetfly er orienteret anderledes end hvad der ser ud til at være meget større og potentielt mere modne jetfly, der kommer fra samme region. Astronomerne spekulerer i, at de tungtvandsstråler, ALMA har set, er relativt nye træk, der lige er begyndt at bevæge sig ud i den omgivende tåge.

Disse observationer viser også, at i de områder, hvor dette vand støder ind i den omgivende gas, lavfrekvente vandmasere - naturligt forekommende mikrobølgeversioner af lasere - blusser op. Maserne blev detekteret i komplementære observationer af National Science Foundations Very Large Array.

ALMA observerer molekyler i massevis

Ud over at lave slående billeder af objekter i rummet, ALMA er også en ekstremt følsom kosmisk kemisk sensor. Når molekyler vælter og vibrerer i rummet, de udsender naturligt lys ved bestemte bølgelængder, som fremstår som spidser og fald på et spektrum. Alle ALMAs modtagerbånd kan registrere disse unikke spektrale fingeraftryk, men disse linjer ved de højeste frekvenser giver unik indsigt i lightere, vigtige kemikalier, som tungt vand. De giver også mulighed for at se signaler fra komplekse, varme molekyler, som har svagere spektrallinjer ved lavere frekvenser.

Brug af bånd 10, forskerne var i stand til at observere en region af spektret, der er ekstraordinært rig på molekylære fingeraftryk, inklusive glycoaldehyd, det enkleste sukker-relaterede molekyle.

Sammenlignet med tidligere bedste-i-verden-observationer af samme kilde med Den Europæiske Rumorganisations Herschel Space Observatory, ALMA-observationerne detekterede mere end ti gange så mange spektrallinjer.

"Vi opdagede et væld af komplekse organiske molekyler omkring denne massive stjernedannende region, " sagde McGuire. "Disse resultater er blevet modtaget med begejstring af det astronomiske samfund og viser endnu en gang, hvordan ALMA vil omforme vores forståelse af universet."

ALMA er i stand til at drage fordel af disse sjældne muligheder, når de atmosfæriske forhold er "lige rigtige" ved at bruge dynamisk planlægning. Det betyder, teleskopoperatørerne og astronomerne overvåger omhyggeligt vejret og udfører de planlagte observationer, der passer bedst til de herskende forhold.

"Der er helt sikkert en del betingelser, der skal opfyldes for at udføre en vellykket observation ved brug af bånd 10, " konkluderede Brogan. "Men disse nye ALMA-resultater viser, hvor vigtige disse observationer kan være."

"For at forblive på forkant med opdagelsen, observatorier skal kontinuerligt innovere for at drive forkant med, hvad astronomi kan udrette, " sagde Joe Pesce, programdirektøren for National Radio Astronomy Observatory ved NSF. "Det er et kerneelement i NSF's NRAO, og dets ALMA-teleskop, og denne opdagelse skubber grænsen for, hvad der er muligt gennem jordbaseret astronomi."

Denne forskning præsenteres i et papir med titlen "Første resultater af en ALMA-bånd 10-spektrallinjeundersøgelse af NGC 6334I:Detektioner af glycolaldehyd (HC(O)CH2OH) og en ny kompakt bipolær udstrømning i HDO og CS, " af B. McGuire et al. i Astrofysiske tidsskriftsbreve .