Een internationale samenwerking van wetenschappers met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) heeft de meest uitgebreide chemische samenstellingskartering van de protoplanetaire schijven rond vijf nabijgelegen jonge sterren met hoge resolutie voltooid, het produceren van beelden die de moleculaire samenstelling vastleggen die verband houdt met planetaire geboorten, en een routekaart voor toekomstige studies van de samenstelling van planeet- en komeetvormende regio's. De nieuwe studie ontsluit aanwijzingen over de rol van moleculen in de vorming van planeten, en of deze jonge planetenstelsels in de maak hebben wat nodig is om leven te huisvesten. De resultaten van het programma, toepasselijk genaamd MAPS, of moleculen met ALMA op planeetvormende schalen, zal verschijnen in een aankomende 20-papieren speciale editie van de Astrophysical Journal Supplement serie.

Planeten vormen zich in de schijven van stof en gas, protoplanetaire schijven genaamd, die jonge sterren omringen. De chemische samenstelling van deze schijven kan een impact hebben op de planeten zelf, inclusief hoe en waar planetaire vorming plaatsvindt, de chemische samenstelling van de planeten, en of die planeten de organische samenstelling hebben die nodig is om leven te ondersteunen. MAPS keek specifiek naar de protoplanetaire schijven rond de jonge sterren IM Lup, GM Aur, ALS 209, HD163296, en MWC 480, waar het bewijs van voortdurende planeetvorming al is gedetecteerd. Het project leidde tot meerdere spannende ontdekkingen, waaronder een verband tussen stof en chemische substructuren en de aanwezigheid van grote reservoirs van organische moleculen in de binnenste schijfgebieden van de sterren.

"Met ALMA konden we zien hoe moleculen worden verspreid waar exoplaneten zich momenteel verzamelen, " zei Karin Öberg, een astronoom bij het Centrum voor Astrofysica | Harvard &Smithsonian (CfA) en de hoofdonderzoeker voor MAPS. "Een van de echt opwindende dingen die we hebben gezien, is dat de planeetvormende schijven rond deze vijf jonge sterren fabrieken zijn van een speciale klasse organische moleculen, zogenaamde nitrillen, die betrokken zijn bij de oorsprong van het leven hier op aarde."

Eenvoudige organische moleculen zoals HCN, C2H, en H2CO werden gedurende het hele project in ongekend detail waargenomen, dankzij de gevoeligheid en het oplossend vermogen van ALMA's Band 3 en Band 6 ontvangers. "Vooral, we konden de hoeveelheid kleine organische moleculen in de binnenste regionen van schijven observeren, waar rotsachtige planeten waarschijnlijk samenkomen, " zei Viviana V. Guzmán, een astronoom bij Pontificia Universidad Católica de Chile's Instituto de Astrofísica, hoofdauteur van MAPS VI en een mede-hoofdonderzoeker van MAPS. "We ontdekken dat ons eigen zonnestelsel niet bijzonder uniek is, en dat andere planetenstelsels rond andere sterren genoeg basisingrediënten hebben om de bouwstenen van het leven te vormen."

Wetenschappers hebben ook complexere organische moleculen waargenomen, zoals HC3N, CH3CN, en c-C3H2, met name die met koolstof, en daarom hoogstwaarschijnlijk fungeren als grondstof voor grotere, prebiotische moleculen. Hoewel deze moleculen al eerder zijn gedetecteerd in protoplanetaire schijven, MAPS is de eerste systematische studie over meerdere schijven met een zeer hoge ruimtelijke resolutie en gevoeligheid, en de eerste studie om de moleculen op kleine schaal en in zulke significante hoeveelheden te vinden. "We vonden meer van de grote organische moleculen dan verwacht, een factor 10 tot 100 meer, gelokaliseerd in de binnenste schijven op schalen van het zonnestelsel, en hun chemie lijkt op die van kometen van het zonnestelsel, " zei John Ilee, een astronoom aan de Universiteit van Leeds en de hoofdauteur van MAPS IX. "De aanwezigheid van deze grote organische moleculen is belangrijk omdat ze de opstapjes zijn tussen eenvoudigere op koolstof gebaseerde moleculen zoals koolmonoxide, die in overvloed in de ruimte wordt gevonden, en de meer complexe moleculen die nodig zijn om leven te creëren en in stand te houden."

Moleculen zijn niet gelijkmatig verdeeld over planeetvormende schijven, echter, zoals blijkt uit MAPS III en IV, waaruit bleek dat hoewel de algemene schijfsamenstellingen vergelijkbaar lijken met het zonnestelsel, inzoomen met hoge resolutie onthult enige diversiteit in compositie die zou kunnen leiden tot verschillen van planeet tot planeet. "Moleculair gas in protoplanetaire schijven wordt vaak gevonden in sets van verschillende ringen en gaten, " zei Charles Law, CfA-astronoom en hoofdauteur van MAPS III en IV. "Maar dezelfde schijf die in verschillende moleculaire emissielijnen wordt waargenomen, ziet er vaak totaal anders uit, waarbij elke schijf meerdere moleculaire vlakken heeft. Dit betekent ook dat planeten in verschillende schijven of zelfs in dezelfde schijf op verschillende locaties zich in radicaal verschillende chemische omgevingen kunnen vormen." Dit betekent dat sommige planeten zich vormen met de nodige hulpmiddelen om leven op te bouwen en in stand te houden, terwijl andere nabijgelegen planeten dat niet kunnen.

Een van die radicaal verschillende omgevingen komt voor in de ruimte rond Jupiter-achtige planeten, waar wetenschappers vonden dat het gas arm aan koolstof was, zuurstof, en zwaardere elementen, hoewel rijk aan koolwaterstoffen, zoals methaan. "De chemie die wordt gezien in protoplanetaire schijven zou moeten worden geërfd door planeten te vormen, " zei Arthur Bosman, een astronoom aan de Universiteit van Michigan en hoofdauteur van MAPS VII. "Onze bevindingen suggereren dat zich veel gasreuzen kunnen vormen met extreem zuurstofarme (koolstofrijke) atmosferen, uitdagende huidige verwachtingen van planeet composities."

Alles bij elkaar genomen, MAPS biedt precies dat:een kaart die wetenschappers kunnen volgen, het verbinden van de stippen tussen het gas en stof in een protoplanetaire schijf en de planeten die zich uiteindelijk daaruit vormen om een ​​planetair systeem te creëren. "De samenstelling van een planeet is een registratie van de locatie op de schijf waarin ze is gevormd, "Zei Bosman. "Door de samenstelling van de planeet en de schijf met elkaar te verbinden, kunnen we in de geschiedenis van een planeet kijken en de krachten begrijpen die deze hebben gevormd."

Joe Pesce, astronoom en ALMA-programmamedewerker bij de National Science Foundation (NSF), zegt:"Of er buiten de aarde leven bestaat, is een van de fundamentele vragen van de mensheid. We weten nu dat planeten overal te vinden zijn, en de volgende stap is om te bepalen of ze de voorwaarden hebben die nodig zijn voor het leven zoals wij dat kennen (en hoe vaak die situatie zou kunnen zijn). Het MAPS-programma zal ons helpen deze vragen beter te beantwoorden. ALMA's zoektocht naar voorlopers van leven ver van de aarde vormt een aanvulling op onderzoeken in laboratoria, en op plaatsen zoals hydrothermale bronnen op aarde."

Öberg zegt, "MAPS is het resultaat van tientallen jaren werk aan de chemie van planeetvormende schijven door wetenschappers die ALMA en zijn voorlopers gebruiken. Hoewel MAPS op dit moment slechts vijf schijven heeft onderzocht, we hadden tot nu toe geen idee hoe chemisch complex en visueel verbluffend deze schijven werkelijk waren. MAPS heeft voor het eerst vragen beantwoord die we decennia geleden niet hadden kunnen bedenken, en stelde ons ook veel meer vragen te beantwoorden."