Od obłoków tworzących gwiazdy do dysków protoplanetarnych
Nowe systemy planetarne powstają w dyskach gazu i pyłu wirujących wokół młodych gwiazd. Dyski te są małe, zawierają mniej niż 1% masy macierzystego obłoku, który zapadł się, tworząc system. To oznacza, że ich obserwacja jest utrudniona i wymaga zastosowania instrumentów o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. We wspieranym przez ERBN projekcie CHEMPLAN wykorzystano dane pochodzące z nowego teleskopu Atacama Large Millimeter/submillimeter Array – ALMA do zbadania składu chemicznego w tych regionach w pełnym zakresie temperatur, od 10 do 1000 K. W ramach projektu udało się scharakteryzować fizyczną i chemiczną strukturę obłoków tworzących gwiazdy i dysków protoplanetarnych z niespotykaną wcześniej dokładnością – w skali porównywalnej z naszym własnym układem słonecznym. Powiązano także ich skład chemiczny z systemami kometarnymi i egzoplanetarnymi, wskazując na możliwe pochodzenie z obłoku przedsłonecznego cząsteczek, które nie zostały znacząco zmienione podczas formowania dysków i komet. Trójkąt obserwacji, modelowania i doświadczeń laboratoryjnych Rozpoczęcie projektu CHEMPLAN (Astrochemistry and the Origin of Planetary Systems) zbiegło się w czasie z inauguracją ALMA, zespołu 54 teleskopów zbudowanych na wysoko położonym płaskowyżu w Chile. ALMA okazał się szczególnie skuteczny w poszukiwaniach molekuł w pobliskich regionach tworzących gwiazdy. Przy pomocy teleskopu zbadano również dużą liczbę dysków w celu szybkiego określenia ich struktury i potencjału w zakresie powstawania nowych planet. „ALMA potrzebuje minuty na wykonanie zadań, które wcześniej zajmowały całą noc. Każdy nowy zestaw danych, który przychodzi od ALMA, jest jak świąteczny prezent”, mówi koordynator projektu CHEMPLAN, prof. Ewine van Dishoeck. Do analizy danych ALMA uczestnicy projektu CHEMPLAN potrzebowali modeli kinetyki chemicznej i eksperymentów laboratoryjnych w celu zbadania podstawowych reakcji chemicznych zachodzących w lodzie w warunkach zbliżonych do kosmicznych. Jeśli chodzi o modelowanie, określono ilość cząsteczek zachowanych podczas przemiany obłoków w dyski, z późniejszymi zmianami chemicznymi w dysku. Na przykład, zespół wykazał, że stosunek C/O i C/N (stosunek sumy węgla do tlenu i węgla do azotu) zależy od parametrów fizycznych, takich jak temperatura i szybkość jonizacji. Ponadto, chemia dysków została następnie połączona z modelami formowania planet, które wykazały znaczenie gazu w porównaniu do akrecji lodu w celu ustalenia stosunków C/O w atmosferach egzoplanet. Eksperymenty laboratoryjne okazały się ważne dla wyjaśnienia detekcji złożonych cząsteczek organicznych przez ALMA, takich jak cukry i amidy w młodym dysku wokół protogwiazdy typu słonecznego, a także szlaków ich powstawania w lodach. Innym ważnym rezultatem było pierwsze wykrycie pułapki pyłu w dysku okołogwiazdowym, miejscu przyszłego formowania się planet. „Ustalenia te sugerują, że formowanie się planet zaczyna się na wcześniejszym etapie, niż wcześniej sądzono, oraz że woda i molekuły prebiotyczne są już obecne w dużych ilościach. Oba wyniki pomagają nam w odpowiedzi na najbardziej fundamentalne pytania: »skąd pochodzimy?« i »czy życie istnieje gdzie indziej we Wszechświecie?«”, mówi prof. van Dishoeck. W ramach kontynuacji prac zespół przeprowadzi przy pomocy ALMA kolejne, głębsze analizy widma młodych dysków w celu ustalenia, dlaczego obecne wyniki występują głównie w przypadku tylko kilku układów. Dodatkowo planuje się połączenie obserwacji z teleskopu Jamesa Webba wewnętrznych rejonów dysków protoplanetarnych z danymi dotyczącymi dysków zewnętrznych i składu atmosfery egzoplanet. Naukowcy będą również kontynuować prace nad doprecyzowaniem podstawowych danych molekularnych potrzebnych do zrozumienia szlaku chemicznego prowadzącego od obłoków do dysków.
Słowa kluczowe
CHEMPLAN, ALMA, międzygwiezdny, wszechświat, cząsteczka, astronomia, protogwiazdy, układ słoneczny, planety, gwiazdy, komety, egzoplanety, przestrzeń kosmiczna