Onderzoekers van de Universiteit van Arizona hebben organische moleculen ontdekt in planetaire nevels, de nasleep van stervende sterren, en in de verre uithoeken van de Melkweg, die als te koud en te verwijderd van het galactische centrum werden beschouwd om dergelijke chemie te ondersteunen. Ze presenteren hun bevindingen op de 238e bijeenkomst van de American Astronomical Society, of AAS, virtueel gehouden van 7-9 juni.

Een team onder leiding van Lucy Ziurys van de Universiteit van Arizona rapporteert waarnemingen van organische moleculen in planetaire nevels in ongekend detail en ruimtelijke resolutie. Met behulp van de Atacama Large Millimeter Array, of ALMA, Ziurys en haar team observeerden radio-emissies van waterstofcyanide (HCN), formyl-ion (HCO ⁺ ) en koolmonoxide (CO) in vijf planetaire nevels:M2-48, M1-7, M3-28, K3-45 en K3-58.

De emissie van deze moleculen bleek de vormen van planetaire nevels te schetsen, die voorheen alleen in zichtbaar licht waren waargenomen. In sommige gevallen, moleculaire handtekeningen onthulden voorheen ongeziene kenmerken. De hoge resolutie van één boogseconde, gelijk aan een dubbeltje gezien vanaf 2,5 mijl afstand, resulteerde in opvallende beelden van de nevels, duidelijk de complexe geometrieën van de dichte, uitgeworpen materiaal met staven, lobben en bogen nog nooit duidelijk waargenomen.

Planetaire nevels zijn heldere objecten, geproduceerd wanneer sterren van een bepaald type het einde van hun evolutie bereiken. De meeste sterren in onze melkweg, inclusief de zon, wordt verwacht dat ze op deze manier hun leven zullen beëindigen. Terwijl de stervende ster grote hoeveelheden van zijn massa de ruimte in werpt en een witte dwerg wordt, het zendt meestal sterke ultraviolette straling uit. Lange tijd werd gedacht dat deze straling alle moleculen die door de stervende ster in het interstellaire medium werden geslingerd, zou breken en tot atomen zou reduceren.

Detectie van organische moleculen in planetaire nevels in de afgelopen jaren heeft aangetoond dat dit niet het geval is, echter, en de hier gepresenteerde waarnemingen ondersteunen verder het idee dat planetaire nevels dienen als kritieke bronnen die het interstellaire medium bezaaien met moleculen die dienen als de ruwe ingrediënten bij de vorming van nieuwe sterren en planeten. Men denkt dat planetaire nevels 90% van het materiaal in het interstellaire medium leveren, met supernova's die de resterende 10% toevoegen.

"Men dacht dat moleculaire wolken die aanleiding zouden geven tot nieuwe stellaire systemen, helemaal opnieuw zouden moeten beginnen en deze moleculen uit atomen zouden moeten vormen, " zei Ziurys, een Regent's Professor of Chemistry and Astronomy aan de UArizona. "Maar als het proces in plaats daarvan met moleculen begint, het zou de chemische evolutie in opkomende sterrenstelsels drastisch kunnen versnellen."

Ziurys en haar team geloven dat het vormveranderende gedrag in de geometrie van de nevels kan worden aangedreven door bepaalde processen die betrokken zijn bij nucleosynthese, met andere woorden, het smeden van nieuwe elementen in een ster.

"Het vertelt ons dat in een stervende ster, die bolvormig is tot zijn laatste fase, er vindt een zeer interessante dynamiek plaats als het door het planetaire nevelstadium gaat, die die bolvorm verandert, "Zei Ziurys. "Deze sterren verliezen gewoon hun massa, en dus is er echt geen mechanisme voor hen om ineens bipolair of zelfs quadrupolair te worden."

Volgens de onderzoekers is een mogelijke verklaring zou heliumflitsen kunnen zijn, die ontstaan ​​in een hete, convectieve schil rond de kern van een stervende ster en zou mogelijk een bron van explosieve nucleaire synthese kunnen vormen, weg van het centrum van de ster, resulterend in de zeer complexe vormen die in sommige nevels te zien zijn.

"Dit zou waarschijnlijk de bolvorm kunnen vervormen omdat een heliumflits door de polen van een ster kan exploderen, waar het wordt geleid door magnetische velden, en dat zal een effect hebben op de vorm van de nevel die zich eromheen zal vormen, " ze zei.

Volgens Ziurys, veel planetaire nevels zijn enigszins een raadsel, omdat ze evolueerden van bolvormige sterren, maar vervolgens aanleiding gaven tot bipolaire of zelfs quadrupolaire structuren.

"Het was voor astronomen een raadsel hoe je van een sferische geometrie naar deze multipolaire geometrieën gaat, " zei ze. "De moleculen die we hebben waargenomen, volgen de polaire geometrieën prachtig, en dus hopen we dat dit ons enig inzicht zal geven in de vorming van planetaire nevels."

In een tweede presentatie Lilia Koelemay, een promovendus in de onderzoeksgroep van Ziurys, zal rapporteren over de ontdekking van organische moleculen aan de rand van de Melkweg, meer dan twee keer zo ver van het galactische centrum dan wat bekend staat als de galactische bewoonbare zone, of GHZ.

De GHZ van de Melkweg, waaronder het zonnestelsel, is een regio die wordt beschouwd als gunstige omstandigheden voor de vorming van leven. Men denkt dat het zich uitbreidt tot slechts 10 kiloparsecs, of ongeveer 32, 600 lichtjaar, van het galactische centrum.

Met behulp van de UArizona ARO 12-meter telescoop op Kitt Peak bij Tucson, Arizona, Koelemay, Ziurys en team doorzochten 20 moleculaire wolken in de Cygnus-armen van de Melkweg op kenmerkende emissiespectra van methanol, een basisch organisch molecuul. Op slechts 20 Kelvin, deze wolken zijn meestal extreem koud en ver van het galactische centrum, op een afstand van 13 tot 23,5 kiloparsec. Het team ontdekte methanol in alle 20 wolken.

Volgens Koelemay, de detectie van deze organische moleculen aan de rand van het melkwegstelsel kan betekenen dat organische chemie nog steeds gangbaar is aan de buitenste regionen van de melkweg, en de GHZ kan zich veel verder van het galactische centrum uitstrekken dan de huidige vastgestelde grens.

"Wetenschappers hebben zich lange tijd afgevraagd hoe ver de organische chemie in onze melkweg is, en men dacht altijd dat niet te ver buiten onze zon, we gaan niet veel organische moleculen zien, Koelemay zei. "De wijdverbreide veronderstelling was dat in de buitenwijken van onze melkweg de chemie die nodig is om organische stoffen te vormen gewoon niet voorkomt."

Die conclusie was gedeeltelijk gebaseerd op het veronderstelde gebrek aan organische moleculen in de buitenste regionen van de melkweg, volgens de onderzoekers. Het idee van de galactische bewoonbare zone is gebaseerd op het idee dat voor het bestaan ​​van bewoonbare omstandigheden waar leven kan evolueren, een planetair systeem kan niet te dicht bij het galactische centrum zijn met zijn extreem hoge dichtheid van sterren en intense straling, en het kan niet te ver weg zijn, omdat er niet genoeg elementen zouden zijn die cruciaal zijn voor het leven, zoals zuurstof, koolstof en stikstof.

De waarnemingen werden mogelijk gemaakt door een nieuwe 2-millimeter golflengteontvanger met ongekende gevoeligheid. Ontwikkeld in een samenwerking tussen Ziurys, Gene Lauria, een ingenieur bij Steward Observatory, en het National Radio Astronomy Observatory, de ontvanger maakt detectie mogelijk van moleculaire emissielijnen in een golflengteband die radioastronomen in de VS jarenlang niet konden bereiken.

"Zonder dit nieuwe instrument, deze waarnemingen zouden honderden uren hebben geduurd, wat niet haalbaar is, "Zei Ziurys. "Met deze nieuwe mogelijkheid, we verwachten ons observatievenster drastisch te openen en moleculen te detecteren in andere regio's van onze melkweg waarvan eerder werd gedacht dat ze verstoken waren van dergelijke chemie."

Onlangs, Koelemay is op zoek naar andere moleculen dan methanol, zoals methylcyanide, organische moleculen met ringstructuren en andere die functionele groepen bevatten waarvan bekend is dat ze cruciale bouwstenen zijn voor biomoleculen. Ontdekkingen van deze moleculen in het interstellaire medium hebben veel belangstelling gewekt, zoveel onderzoekers beschouwen ze als veelbelovende kandidaten voor het ontstaan ​​van leven. Wanneer organische moleculen aanwezig zijn in opkomende planetenstelsels, ze kunnen condenseren op het oppervlak van asteroïden, die ze vervolgens afleveren aan opkomende planeten, waar ze de evolutie van het leven mogelijk een vliegende start kunnen geven.

"We vinden deze soorten ver aan de rand van de melkweg, en de overvloed valt niet eens 10 kiloparsec van het zonnestelsel af, waar de chemie die nodig is voor het bouwen van de moleculen die nodig zijn voor het leven gewoon niet bestond, " zei Ziurys, Koelemays adviseur en co-auteur van het rapport. "Het feit dat ze daar zijn, vergroot de vooruitzichten dat bewoonbare planeten zich vormen tot ver buiten wat als de bewoonbare zone werd beschouwd, is buitengewoon opwindend."