Astronomen nemen vaak koolmonoxide waar in planetaire kinderdagverblijven. De verbinding is ultrahelder en komt veel voor in protoplanetaire schijven - gebieden van stof en gas waar planeten rond jonge sterren worden gevormd - waardoor het een belangrijk doelwit is voor wetenschappers.

Maar de laatste tien jaar klopt er iets niet als het gaat om koolmonoxidewaarnemingen, zegt Diana Powell, een NASA Hubble Fellow bij het Center for Astrophysics, Harvard &Smithsonian.

Een enorm stuk koolmonoxide ontbreekt in alle waarnemingen van schijven, als de huidige voorspellingen van astronomen van de overvloed correct zijn.

Nu heeft een nieuw model - gevalideerd door waarnemingen met ALMA - het mysterie opgelost:koolmonoxide heeft zich verstopt in ijsformaties in de schijven. De bevindingen worden vandaag beschreven in het tijdschrift Nature Astronomy .

"Dit is misschien wel een van de grootste onopgeloste problemen bij planeetvormende schijven", zegt Powell, die het onderzoek leidde. "Afhankelijk van het waargenomen systeem is koolmonoxide drie tot honderd keer minder dan het zou moeten zijn; het is echt enorm veel."

En onnauwkeurigheden in koolmonoxide kunnen enorme gevolgen hebben voor de astrochemie.

"Koolmonoxide wordt in wezen gebruikt om alles wat we weten over schijven te traceren, zoals massa, samenstelling en temperatuur", legt Powell uit. "Dit kan betekenen dat veel van onze resultaten voor schijven bevooroordeeld en onzeker zijn omdat we de verbinding niet goed genoeg begrijpen."

Geïntrigeerd door het mysterie, zette Powell haar detectivehoed op en leunde op haar expertise in de fysica achter faseveranderingen - wanneer materie van de ene toestand naar de andere verandert, als een gas dat verandert in een vaste stof.

Op een vermoeden heeft Powell wijzigingen aangebracht in een astrofysisch model dat momenteel wordt gebruikt om wolken op exoplaneten of planeten buiten ons zonnestelsel te bestuderen.

"Wat echt speciaal is aan dit model, is dat het gedetailleerde fysica heeft voor hoe ijs zich vormt op deeltjes", legt ze uit. "Dus hoe ijs kiemt op kleine deeltjes en vervolgens hoe het condenseert. Het model houdt nauwkeurig bij waar ijs zich bevindt, op welk deeltje het zich bevindt, hoe groot de deeltjes zijn, hoe klein ze zijn en vervolgens hoe ze zich verplaatsen."

Powell paste het aangepaste model toe op planetaire schijven, in de hoop een diepgaand inzicht te krijgen in hoe koolmonoxide in de loop van de tijd evolueert in planetaire kinderdagverblijven. Om de validiteit van het model te testen, vergeleek Powell de output met echte ALMA-waarnemingen van koolmonoxide in vier goed bestudeerde schijven:TW Hya, HD 163296, DM Tau en IM Lup.

De resultaten en modellen werkten heel goed, zegt Powell.

Het nieuwe model kwam overeen met elk van de waarnemingen en toonde aan dat de vier schijven eigenlijk helemaal geen koolmonoxide misten - het was net veranderd in ijs, dat momenteel niet detecteerbaar is met een telescoop.

Met radio-observatoria zoals ALMA kunnen astronomen koolmonoxide in de ruimte in de gasfase bekijken, maar ijs is met de huidige technologie veel moeilijker te detecteren, vooral grote ijsformaties, zegt Powell.

Het model laat zien dat, in tegenstelling tot wat eerder werd gedacht, zich koolmonoxide vormt op grote ijsdeeltjes, vooral na een miljoen jaar. Vóór een miljoen jaar is gasvormig koolmonoxide overvloedig en detecteerbaar in schijven.

"Dit verandert hoe we dachten dat ijs en gas in schijven waren verdeeld", zegt Powell. "Het laat ook zien dat gedetailleerde modellering zoals deze belangrijk is om de fundamenten van deze omgevingen te begrijpen."

Powell hoopt dat haar model verder kan worden gevalideerd met behulp van observaties met NASA's Webb Telescope - die misschien krachtig genoeg is om eindelijk ijs in schijven te detecteren, maar dat valt nog te bezien.

Powell, die dol is op faseveranderingen en de ingewikkelde processen erachter, zegt onder de indruk te zijn van hun invloed. "Kleinschalige ijsvormingsfysica beïnvloedt schijfvorming en evolutie - dat is echt cool." + Verder verkennen

De evoluerende chemie van protoplanetaire schijven