Water is cruciaal voor het leven, maar hoe maak je water? Het koken van wat H2O vereist meer dan het mengen van waterstof en zuurstof. Het vereist de speciale omstandigheden die diep in ijskoude moleculaire wolken worden gevonden, waar stof beschermt tegen destructief ultraviolet licht en helpt bij chemische reacties. NASA's James Webb Space Telescope zal in deze kosmische reservoirs kijken om nieuwe inzichten te krijgen in de oorsprong en evolutie van water en andere belangrijke bouwstenen voor bewoonbare planeten.

Een moleculaire wolk is een interstellaire stofwolk, gas, en een verscheidenheid aan moleculen, variërend van moleculaire waterstof (H2) tot complexe, koolstofhoudende organische stoffen. Moleculaire wolken houden het grootste deel van het water in het heelal vast, en dienen als kraamkamers voor pasgeboren sterren en hun planeten.

Binnen deze wolken, op de oppervlakken van kleine stofkorrels, waterstofatomen verbinden zich met zuurstof om water te vormen. Koolstof verbindt zich met waterstof om methaan te maken. Stikstof bindt zich met waterstof om ammoniak te creëren. Al deze moleculen plakken aan het oppervlak van stofdeeltjes, ijzige lagen ophopen gedurende miljoenen jaren. Het resultaat is een enorme verzameling 'sneeuwvlokken' die worden meegesleurd door jonge planeten, het leveren van materialen die nodig zijn voor het leven zoals wij dat kennen. "Als we de chemische complexiteit van dit ijs in de moleculaire wolk kunnen begrijpen, en hoe ze evolueren tijdens de vorming van een ster en zijn planeten, dan kunnen we beoordelen of de bouwstenen van het leven in elk sterrenstelsel zouden moeten bestaan, " zei Melissa McClure van de Universiteit van Amsterdam, de hoofdonderzoeker van een onderzoeksproject om kosmisch ijs te onderzoeken.

Om deze processen te begrijpen, een van Webb's Discretionary Early Release Science-projecten van Webb's Director's Discretionary Early Release Science-projecten zal een nabijgelegen stervormingsgebied onderzoeken om te bepalen welk ijs waar aanwezig is. "We zijn van plan verschillende instrumentmodi en mogelijkheden van Webb te gebruiken, niet alleen om deze ene regio te onderzoeken, maar ook om te leren hoe je kosmisch ijs het beste kunt bestuderen met Webb, " zei Klaus Pontoppidan van het Space Telescope Science Institute (STScI), een onderzoeker over het project van McClure. Dit project maakt gebruik van Webb's spectrografen met hoge resolutie om de meest gevoelige en nauwkeurige waarnemingen te krijgen bij golflengten die specifiek ijs meten. Webb's spectrografen, NIRSpec en MIRI, zal tot vijf keer betere precisie bieden dan elke eerdere ruimtetelescoop op nabije en midden-infrarode golflengten.

Babysterren en kometenwiegjes

Het team, onder leiding van McClure en co-hoofdonderzoekers Adwin Boogert (Universiteit van Hawaï) en Harold Linnartz (Universiteit Leiden), plannen om zich te richten op het Chamaeleon Complex, een stervormingsgebied dat zichtbaar is aan de zuidelijke hemel. Het bevindt zich op ongeveer 500 lichtjaar van de aarde en bevat enkele honderden protosterren, waarvan de oudste ongeveer 1 miljoen jaar oud zijn. "Deze regio heeft een beetje van alles wat we zoeken, ' zei Pontoppidan.

Het team zal de gevoelige infrarooddetectoren van Webb gebruiken om sterren achter de moleculaire wolk te observeren. Als licht van de zwakken, achtergrondsterren gaan door de wolk, ijs in de wolk zal een deel van het licht absorberen. Door veel achtergrondsterren aan de hemel te observeren, astronomen kunnen ijs in de hele wolk in kaart brengen en lokaliseren waar verschillende ijsvormen zich vormen. Ze zullen zich ook richten op individuele protosterren in de wolk zelf om te leren hoe ultraviolet licht van deze opkomende sterren de aanmaak van complexere moleculen bevordert.

Astronomen zullen ook de geboorteplaatsen van planeten onderzoeken, roterende schijven van gas en stof, bekend als protoplanetaire schijven, die nieuw gevormde sterren omringen. Ze zullen de hoeveelheden en relatieve hoeveelheden ijs kunnen meten tot op 5 miljard mijl van de jonge ster, dat is ongeveer de baanafstand van Pluto in ons zonnestelsel.

"Kometen zijn beschreven als stoffige sneeuwballen. Ten minste een deel van het water in de oceanen van de aarde is waarschijnlijk geleverd door de inslagen van kometen in het begin van de geschiedenis van ons zonnestelsel. We zullen kijken naar de plaatsen waar kometen ontstaan ​​rond andere sterren, " legde Pontoppidan uit.

Laboratorium experimenten

Om de observaties van Webb te begrijpen, wetenschappers zullen experimenten op aarde moeten uitvoeren. Webb's spectrografen zullen binnenkomend infrarood licht verspreiden in een regenboogspectrum. Verschillende moleculen absorberen licht bij bepaalde golflengten, of kleuren, waardoor donkere spectraallijnen ontstaan. Laboratoria kunnen een verscheidenheid aan stoffen meten om een ​​database van moleculaire "vingerafdrukken" te creëren. Als astronomen die vingerafdrukken zien in een spectrum van Webb, ze kunnen dan het molecuul of de familie van moleculen identificeren die de absorptielijnen hebben gecreëerd.

"Laboratoriumstudies zullen helpen bij het beantwoorden van twee belangrijke vragen. De eerste is welke moleculen aanwezig zijn. Maar net zo belangrijk, we zullen kijken hoe het ijs daar is gekomen. Hoe zijn ze gevormd? Wat we bij Webb vinden, zal onze modellen helpen informeren en ons in staat stellen de mechanismen voor ijsvorming bij zeer lage temperaturen te begrijpen, " verklaarde Karin Öberg van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, een onderzoeker op het project.

"Het zal jaren duren om de gegevens die uit Webb komen volledig te ontginnen, ", voegde Öberg eraan toe.

De James Webb Space Telescope wordt 's werelds belangrijkste infraroodruimteobservatorium van het komende decennium. Webb zal de mensheid helpen de mysteries van ons zonnestelsel op te lossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal project onder leiding van NASA met zijn partners, ESA (European Space Agency) en CSA (Canadian Space Agency).