Waarnemingen van planetaire nevels hebben ongebruikelijke moleculaire inhoud en verrassende verrijkingen van zeldzame isotopen onthuld, een uitdaging voor zowel chemische modellen als ons huidige begrip van stellaire nucleosynthese.

Met behulp van de Arizona Radio Observatory 12-m en submillimeter telescopen en de IRAM 30-m telescoop in de buurt van Granada, Spanje, astronomen van de Universiteit van Arizona ontdekten een onverwachte chemische inventaris in planetaire nevels. deze resultaten, gepresenteerd op de 236e bijeenkomst van de American Astronomical Society door Deborah Schmidt (nu op Swarthmore College), suggereren dat planetaire nevels een vitale rol spelen bij het voorzien van materiaal dat rijk is aan moleculen in de interstellaire ruimte, niet alleen atomen.

Verder, de moleculaire gegevens hebben ongebruikelijke verrijkingen onthuld van zeldzame isotopen van gemeenschappelijke elementen zoals koolstof, zuurstof, en stikstof, inclusief 13C, 15N, en 17O. De hoge abundanties van deze ongewone isotopen in planetaire nevels kunnen niet worden verklaard door ons huidige begrip van hoe de meeste sterren sterven, aanvullende processen voorstellen, zelfs gewelddadige explosies, kan gebeuren.

Planetaire nevels vertegenwoordigen de laatste happen van stervende zonachtige sterren. Aan het einde van hun leven, deze sterren stoten hun buitenste lagen uit, vormt een briljant fluorescerende omhulling die uitzet van de overgebleven kern. Deze ejecta vermengt zich met de materie met een lage dichtheid die tussen sterren bestaat, bekend als het interstellaire medium, waar het later kan worden opgenomen in nieuw gevormde stellaire systemen.

De rudimentaire kern, een witte dwerg genoemd, zendt grote hoeveelheden hoogenergetische straling uit naarmate de temperatuur stijgt in de fase van de planetaire nevel. Als resultaat, lang werd gedacht dat het nevelmateriaal een elementaire samenstelling zou hebben, waarbij alle resterende moleculen uit eerdere stadia van het leven van de ster worden vernietigd door de energetische fotonen van de witte dwerg.

In strijd met deze modelvoorspellingen, observaties uitgevoerd door Schmidt als onderdeel van haar proefschrift aan de Universiteit van Arizona hebben een schat aan ongewone moleculaire soorten blootgelegd in meer dan 25 planetaire nevels.

Deze resultaten tonen ondubbelzinnig aan dat moleculen belangrijke componenten zijn van de samenstelling van planetaire nevels, en ze kunnen vervolgens het diffuse interstellaire medium "vervuilen". historisch, astronomen hebben geworsteld om de abundanties van de polyatomaire moleculen die worden waargenomen in diffuus gas te verklaren, omdat er niet genoeg dicht materiaal is om ze op een realistische tijdschaal te maken. De ontdekkingen van Schmidt et al. suggereert een nieuwe oplossing voor dit voortdurende dilemma.

De moleculaire waarnemingen van deze planetaire nevels bieden ook een uniek inzicht in de kernreacties die plaatsvonden in de voorloperster, en de elementen en hun verschillende kernen die werden geproduceerd. Dit komt omdat waarnemingen op radio- en millimetergolflengten worden uitgevoerd met de hoogste spectrale resolutie, waardoor moleculen met verschillende elementen en isotopen duidelijk kunnen worden onderscheiden.

Schmidt en collega's ontdekten dat de gevonden moleculen aangeven of de voorloperster rijk was aan koolstof, bijvoorbeeld. Verder, ze hebben de overvloedsverhoudingen tussen het hoofdelement en zijn zeldzamere vormen kunnen meten, zoals 12C/13C of 14N/15N. Van dergelijke verhoudingen is bekend dat ze gevoelige sondes zijn van de processen die diep in de ster plaatsvonden voordat deze stierf, en zijn gebruikt als een van de weinige "benchmarks" voor het testen van stellaire modellering. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, ze kunnen nauwkeurig worden gemeten in planetaire nevels, het geven van een "momentopname" van de laatste stadia van de ster.

Wat onthulden de waarnemingen in planetaire nevels? Veel koolstof, Allereerst, samen met hoge abundanties van 13C, en in één nevel, K4-47, enorm verhoogde hoeveelheden 15N en 17O - hoger dan ergens anders in het universum waargenomen (Schmidt et al. 2018). De hoge concentraties van 13C, 15N, en 17O waargenomen in planetaire nevels zijn niet voorspeld door modellen van stervende sterren.

specifiek, Schmidt en medewerkers suggereren dat de voorlopersterren van deze planetaire nevels een onverwachte gebeurtenis hebben ondergaan toen ze hun laatste "hijg" maakten - een heliumschilflits, waarin hete koolstof van diep in de ster naar het stellaire oppervlak wordt geblazen. In de gewelddadige explosie die plaatsvindt, 13C, 15N, en 17O worden gemaakt en uit de ster geworpen. Een dergelijk energetisch proces kan ook de ongebruikelijke bipolaire en multipolaire geometrieën verklaren die typisch worden vertoond door planetaire nevels, waardoor ze hun "zandloper" en "klaverblad" vormen.

Stervende sterren produceren ook stofkorrels. Sommige van deze korrels hebben hun weg naar ons zonnestelsel gevonden, waar onderzoekers zoals medewerker Thomas Zega ze uit ongerepte meteorieten halen. Elementaire isotopen kunnen worden gemeten in deze zogenaamde "presolaire" korrels, het verstrekken van een Rosetta Stone van hun geschiedenis. Van sommige van deze granen is vastgesteld dat ze constant lage 12C/13C vertonen, 14N/15N, en 16O/17O-verhoudingen - een puzzel voor kosmochemici, aangezien deze verhoudingen niet kunnen worden verklaard door normale modellen.

Bij gebrek aan een betere uitleg, er is gespeculeerd dat deze atypische korrels afkomstig zijn uit novae, een soort thermonucleaire explosie die optreedt op het oppervlak van de overblijfselen van sterren met een lage massa in binaire systemen. Hun ongebruikelijke verhoudingen, echter, overeenkomen met die gevonden in K4-47, wat suggereert dat planetaire nevels hun ware geboorteplaatsen zijn.

Planetaire nevels leveren de meeste materie in de interstellaire ruimte, wat vervolgens leidt tot stellaire systemen zoals de onze. Het werk van Schmidt en collega's heeft aangetoond dat deze objecten verborgen moleculen en elementaire isotopen bevatten, onzichtbaar in de kleurrijke beelden die ze uitbeelden. Het verkennen van deze nieuwe, onverwachte facetten van planetaire nevels is cruciaal voor ons begrip van de geschiedenis van sterren en de evolutie van de materie die ons zonnestelsel heeft gevormd.