Det usædvanlige molekylære og isotopiske indhold af planetariske tåger

Observationer af planetariske tåger har afsløret usædvanligt molekylært indhold og overraskende berigelser af sjældne isotoper, udfordrer både kemiske modeller såvel som vores nuværende forståelse af stjernernes nukleosyntese.

Ved at bruge Arizona Radio Observatory 12-m og submillimeter teleskoper og IRAM 30-m teleskopet nær Granada, Spanien, astronomer ved University of Arizona opdagede en uventet kemisk opgørelse i planetariske tåger. Disse resultater, præsenteret på det 236. møde i American Astronomical Society af Deborah Schmidt (nu på Swarthmore College), tyder på, at planetariske tåger spiller en afgørende rolle i at forsyne det interstellare rum med materiale rigt på molekyler, ikke kun atomer.

Yderligere, de molekylære data har afsløret usædvanlige berigelser af sjældne isotoper af almindelige grundstoffer såsom kulstof, ilt, og nitrogen, inklusive 13C, 15N, og 17O. De høje mængder af disse usædvanlige isotoper i planetariske tåger kan ikke forklares med vores nuværende forståelse af, hvordan de fleste stjerner dør, foreslår yderligere processer, selv voldsomme eksplosioner, kan forekomme.

Planetariske tåger repræsenterer de sidste gisp fra døende sollignende stjerner. I slutningen af ​​deres liv, disse stjerner udstøder deres ydre lag, danner en strålende fluorescerende konvolut, som udvider sig væk fra den resterende kerne. Denne udstødning blander sig med det lavdensitetsstof, der findes mellem stjerner, kendt som det interstellare medium, hvor det senere kan blive inkorporeret i nydannende stjernesystemer.

Den rudimentære kerne, kaldet en hvid dværg, udsender rigelige mængder højenergistråling, når dens temperatur stiger ind i den planetariske tågefase. Som resultat, man har længe troet, at nebulærmaterialet skulle være elementært i sammensætning, hvor eventuelle molekyler, der er tilbage fra tidligere stadier i stjernens liv, bliver ødelagt af de energiske fotoner fra den hvide dværg.

Helt i modstrid med disse modelforudsigelser, observationer udført af Schmidt som en del af hendes afhandlingsarbejde ved University of Arizona afslørede et væld af usædvanlige molekylære arter i over 25 planetariske tåger.

Disse resultater viser utvetydigt, at molekyler er vigtige komponenter i sammensætningen af ​​planetariske tåger, og de kan efterfølgende "forurene" det diffuse interstellare medium. Historisk set, astronomer har kæmpet for at forklare mængden af ​​polyatomiske molekyler observeret i diffus gas, da der ikke er nok tæt materiale til at skabe dem på en realistisk tidsskala. Opdagelserne af Schmidt et al. foreslår en ny løsning på dette igangværende dilemma.

De molekylære observationer af disse planetariske tåger giver også unik indsigt i de nukleare reaktioner, der fandt sted i stamstjernen, og de grundstoffer og deres forskellige kerner, der blev produceret. Dette skyldes, at observationer ved radio- og millimeterbølgelængder udføres med den højeste spektrale opløsning, gør det muligt klart at skelne molekyler med forskellige grundstoffer og isotoper.

Schmidt og kolleger opdagede, at de molekyler, de har fundet, indikerer, om stamstjernen var rig på kulstof, for eksempel. Desuden, de har været i stand til at måle overflodsforhold mellem hovedelementet og dets sjældnere former, såsom 12C/13C eller 14N/15N. Sådanne forhold er kendt for at være følsomme sonder af de processer, der fandt sted dybt inde i stjernen, før den døde, og er blevet brugt som et af de få "benchmarks" til at teste stjernemodellering. Nu, for første gang, de kan måles nøjagtigt i planetariske tåger, giver et "snapshot" af stjernens sidste stadier.

Hvad afslørede observationerne i planetariske tåger? Masser af kulstof, først og fremmest, sammen med høje mængder af 13C, og i en tåge, K4-47, enormt forhøjede mængder af 15N og 17O – højere end observeret noget andet sted i universet (Schmidt et al. 2018). De høje koncentrationer af 13C, 15N, og 17O observeret i planetariske tåger er ikke blevet forudsagt af modeller af døende stjerner.

Specifikt, Schmidt og samarbejdspartnere antyder, at stamstjernerne til disse planetariske tåger kan have gennemgået en uventet begivenhed, da de lavede deres sidste "gisp" - en heliumskal flash, hvor varmt kulstof fra dybt inde i stjernen blæses ud til stjernens overflade. I den voldsomme eksplosion, der opstår, 13C, 15N, og 17O skabes og kastes ud fra stjernen. En sådan energisk proces kan også forklare de usædvanlige bipolære og multipolære geometrier, der typisk udvises af planetariske tåger, give dem deres "timeglas" og "kløverblad"-former.

Døende stjerner producerer også støvkorn. Nogle af disse korn har faktisk fundet vej til vores solsystem, hvor forskere som samarbejdspartner Thomas Zega udvinder dem fra uberørte meteoritter. Elementære isotoper kan måles i disse såkaldte "presolar" korn, give en Rosetta-sten af ​​deres historie. Nogle af disse korn har vist sig at udvise konsekvent lave 12C/13C, 14N/15N, og 16O/17O-forhold - et puslespil for kosmokemikere, da disse forhold ikke kan forklares med normale modeller.

I mangel af en bedre forklaring, det er blevet spekuleret i, at disse atypiske korn stammer fra novaer, en type termonuklear eksplosion, der sker på overfladen af ​​stjernerester med lav masse i binære systemer. Deres usædvanlige forhold, imidlertid, matche dem, der findes i K4-47, tyder på, at planetariske tåger er deres sande fødesteder.

Planetariske tåger forsyner det meste af det stof, der findes i det interstellare rum, som efterfølgende fører til stjernesystemer som vores eget. Schmidt og kollegers arbejde har vist, at disse objekter indeholder skjulte molekyler og elementære isotoper, usynlige i de farverige billeder, der portrætterer dem. Udforsker disse nye, uventede facetter af planetariske tåger er afgørende for vores forståelse af stjernernes historie og stoffets udvikling, der dannede vores solsystem.