De ALMA-telescoop in Chili heeft onze kijk op het heelal veranderd, ons anderszins onzichtbare delen van de kosmos te laten zien. Deze reeks ongelooflijk nauwkeurige antennes bestudeert een relatief hoogfrequente strook radiolicht:golven die variëren van enkele tienden van een millimeter tot enkele millimeters lang. Onlangs, wetenschappers hebben ALMA tot het uiterste gedreven, het benutten van de hoogste frequentie (kortste golflengte) mogelijkheden van de array, die turen in een deel van het elektromagnetische spectrum dat zich uitstrekt over de lijn tussen infrarood licht en radiogolven.

"Hoogfrequente radiowaarnemingen zoals deze zijn normaal gesproken niet mogelijk vanaf de grond, " zei Brett McGuire, een chemicus bij het National Radio Astronomy Observatory in Charlottesville, Virginia, en hoofdauteur van een paper dat verschijnt in de Astrofysische journaalbrieven . "Ze vereisen de extreme precisie en gevoeligheid van ALMA, samen met enkele van de droogste en meest stabiele atmosferische omstandigheden die op aarde te vinden zijn."

Onder ideale atmosferische omstandigheden, die plaatsvond op de avond van 5 april 2018, astronomen trainden ALMA's hoogste frequentie, submillimeter visie op een merkwaardig gebied van de Kattenpootnevel (ook bekend als NGC 6334I), een stervormend complex op ongeveer 4, 300 lichtjaar van de aarde in de richting van het zuidelijke sterrenbeeld Schorpioen.

Eerdere ALMA-waarnemingen van dit gebied bij lagere frequenties brachten turbulente stervorming aan het licht, een zeer dynamische omgeving, en een schat aan moleculen in de nevel.

Om te observeren bij hogere frequenties, de ALMA-antennes zijn ontworpen om plaats te bieden aan een reeks "banden" - genummerd van 1 tot 10 - die elk een bepaald stukje van het spectrum bestuderen. De Band 10-ontvangers nemen waar op de hoogste frequentie (kortste golflengten) van alle ALMA-instrumenten, met golflengten van 0,3 tot 0,4 millimeter (787 tot 950 gigahertz), wat ook wordt beschouwd als infrarood licht met lange golflengte.

Deze eerste-van-zijn-soort ALMA-waarnemingen met Band 10 leverden twee opwindende resultaten op.

Stoomstralen van Protostar

Een van ALMA's eerste Band 10-resultaten was ook een van de meest uitdagende, de directe observatie van waterdampstralen die wegstromen van een van de massieve protosterren in de regio. ALMA kon het licht van submillimetergolflengte detecteren dat van nature wordt uitgestraald door zwaar water (watermoleculen bestaande uit zuurstof, waterstof- en deuteriumatomen, die waterstofatomen zijn met een proton en een neutron in hun kern).

"Normaal gesproken, we zouden dit specifieke signaal helemaal niet vanaf de grond kunnen zien, " zei Crystal Brogan, een astronoom bij de NRAO en co-auteur van het papier. "De atmosfeer van de aarde, zelfs op opmerkelijk droge plaatsen, bevat nog steeds voldoende waterdamp om dit signaal van elke kosmische bron volledig te overweldigen. Tijdens uitzonderlijk ongerepte omstandigheden in de hoge Atacama-woestijn, echter, ALMA kan dat signaal inderdaad detecteren. Dit is iets wat geen enkele andere telescoop op aarde kan bereiken."

Terwijl sterren zich beginnen te vormen uit enorme wolken van stof en gas, het materiaal rond de ster valt op de massa in het midden. Een deel van dit materiaal, echter, wordt voortgestuwd van de groeiende protoster als een paar jets, die gas en moleculen wegvoeren, inclusief water.

Het zware water dat de onderzoekers hebben waargenomen, stroomt weg van een enkele protoster of een kleine cluster van protosterren. Deze jets zijn anders georiënteerd dan wat veel grotere en potentieel meer volwassen jets lijken te zijn die uit dezelfde regio komen. De astronomen speculeren dat de zwaarwaterstralen die ALMA heeft gezien, relatief recente kenmerken zijn die zich net beginnen te verspreiden naar de omringende nevel.

Deze waarnemingen laten ook zien dat in de regio's waar dit water tegen het omringende gas slaat, laagfrequente watermasers - natuurlijk voorkomende microgolfversies van lasers - schieten op. De masers werden gedetecteerd in aanvullende waarnemingen door de Very Large Array van de National Science Foundation.

ALMA observeert moleculen in overvloed

Naast het maken van opvallende afbeeldingen van objecten in de ruimte, ALMA is ook een uiterst gevoelige kosmische chemische sensor. Terwijl moleculen tuimelen en trillen in de ruimte, ze zenden van nature licht uit op specifieke golflengten, die verschijnen als pieken en dalen in een spectrum. Alle ontvangerbanden van ALMA kunnen deze unieke spectrale vingerafdrukken detecteren, maar die lijnen op de hoogste frequenties bieden een uniek inzicht in lichtere, belangrijke chemicaliën, als zwaar water. Ze bieden ook de mogelijkheid om signalen van complexe, warme moleculen, die zwakkere spectraallijnen hebben bij lagere frequenties.

Band 10 gebruiken, konden de onderzoekers een gebied van het spectrum observeren dat buitengewoon rijk is aan moleculaire vingerafdrukken, inclusief glycoaldehyd, het eenvoudigste aan suiker gerelateerde molecuul.

In vergelijking met eerdere best-in-the-world observaties van dezelfde bron met het Herschel Space Observatory van de European Space Agency, de ALMA-waarnemingen detecteerden meer dan tien keer zoveel spectraallijnen.

"We hebben een schat aan complexe organische moleculen ontdekt rond dit enorme stervormingsgebied, "zei McGuire. "Deze resultaten zijn enthousiast ontvangen door de astronomische gemeenschap en laten eens te meer zien hoe ALMA ons begrip van het universum zal veranderen."

ALMA kan profiteren van deze zeldzame kansen wanneer de atmosferische omstandigheden "precies goed" zijn door dynamische planning te gebruiken. Dat betekent, de telescoopoperators en astronomen houden het weer nauwlettend in de gaten en voeren de geplande waarnemingen uit die het beste passen bij de heersende omstandigheden.

"Er zijn zeker nogal wat voorwaarden waaraan moet worden voldaan om een ​​succesvolle observatie uit te voeren met Band 10, " concludeerde Brogan. "Maar deze nieuwe ALMA-resultaten laten zien hoe belangrijk deze waarnemingen kunnen zijn."

"Om in de voorhoede van ontdekkingen te blijven, observatoria moeten voortdurend innoveren om de voorhoede te vormen van wat astronomie kan bereiken, " zei Joe Pesce, de programmadirecteur van het National Radio Astronomy Observatory bij NSF. "Dat is een kernelement van NSF's NRAO, en zijn ALMA-telescoop, en deze ontdekking verlegt de grens van wat mogelijk is door astronomie op de grond."

Dit onderzoek wordt gepresenteerd in een paper met de titel "First results of an ALMA band 10 spectral line survey of NGC 6334I:Detections of glycolaldehyde (HC(O)CH2OH) and a new compact bipolar outflow in HDO and CS, " door B. McGuire et al. in de Astrofysische journaalbrieven .