Astronomer løser sagen om manglende kulilte i protoplanetariske skiver

Astronomer observerer ofte kulilte i planetariske planteskoler. Forbindelsen er ultralys og ekstremt almindelig i protoplanetariske skiver - områder af støv og gas, hvor planeter dannes omkring unge stjerner - hvilket gør det til et primært mål for forskere.

Men i det sidste årti eller deromkring er der ikke sket noget, når det kommer til kulilteobservationer, siger Diana Powell, en NASA Hubble Fellow ved Center for Astrophysics, Harvard &Smithsonian.

En stor del af kulilte mangler i alle observationer af diske, hvis astronomernes nuværende forudsigelser om dens overflod er korrekte.

Nu har en ny model – valideret af observationer med ALMA – løst mysteriet:kulilte har gemt sig i isformationer i skiverne. Resultaterne er beskrevet i dag i tidsskriftet Nature Astronomy .

"Dette kan være et af de største uløste problemer i planetdannende diske," siger Powell, der ledede undersøgelsen. "Afhængigt af det observerede system, er kulilte tre til 100 gange mindre, end det burde være; det er en virkelig enorm mængde."

Og kulilte unøjagtigheder kan have enorme konsekvenser for området astrokemi.

"Kulmonoxid bruges i det væsentlige til at spore alt, hvad vi ved om diske - som masse, sammensætning og temperatur," forklarer Powell. "Dette kan betyde, at mange af vores resultater for diske har været partiske og usikre, fordi vi ikke forstår stoffet godt nok."

Forvirret af mysteriet tog Powell sin detektivhat på og lænede sig op af sin ekspertise i fysikken bag faseændringer – når stof forvandles fra en tilstand til en anden, som en gas, der ændrer sig til et fast stof.

På en anelse lavede Powell ændringer til en astrofysisk model, der i øjeblikket bruges til at studere skyer på exoplaneter eller planeter uden for vores solsystem.

"Det helt specielle ved denne model er, at den har detaljeret fysik for, hvordan is dannes på partikler," forklarer hun. "Så hvordan isen danner kerne på små partikler og derefter hvordan den kondenserer. Modellen sporer omhyggeligt, hvor isen er, på hvilken partikel den er placeret, hvor store partiklerne er, hvor små de er, og derefter hvordan de bevæger sig rundt."

Powell anvendte den tilpassede model på planetskiver i håb om at skabe en dybdegående forståelse af, hvordan kulilte udvikler sig over tid i planetariske planteskoler. For at teste modellens gyldighed sammenlignede Powell derefter dens output med ægte ALMA-observationer af kulilte i fire velundersøgte diske – TW Hya, HD 163296, DM Tau og IM Lup.

Resultaterne og modellerne fungerede rigtig godt, siger Powell.

Den nye model passede sammen med hver af observationerne og viste, at de fire skiver faktisk slet ikke manglede kulilte - den var lige omdannet til is, som i øjeblikket ikke kan spores med et teleskop.

Radioobservatorier som ALMA giver astronomer mulighed for at se kulilte i rummet i dets gasfase, men is er meget sværere at opdage med den nuværende teknologi, især store formationer af is, siger Powell.

Modellen viser, at i modsætning til tidligere tænkning, dannes kulilte på store ispartikler - især efter en million år. Før en million år er gasformig kulilte rigeligt og kan påvises i diske.

"Dette ændrer, hvordan vi troede, at is og gas blev fordelt i skiver," siger Powell. "Det viser også, at detaljeret modellering som denne er vigtig for at forstå det grundlæggende i disse miljøer."

Powell håber, at hendes model kan valideres yderligere ved hjælp af observationer med NASA's Webb-teleskop - som kan være kraftig nok til endelig at opdage is i diske, men det er endnu uvist.

Powell, der elsker faseændringer og de komplicerede processer bag dem, siger, at hun er i ærefrygt for deres indflydelse. "Småskala isdannelsesfysik påvirker diskdannelse og evolution - nu er det virkelig fedt." + Udforsk yderligere

Den udviklende kemi af protoplanetariske skiver