Radioteleskopy ALMA wykryły niezwykły alkohol wokół młodej gwiazdy. Odkrycie może wyjaśnić, skąd planety biorą związki organiczne.
Około 1000 lat świetlnych od Ziemi, w miejscu, gdzie dopiero rodzą się gwiazdy i przyszłe układy planetarne, astronomowie odkryli niezwykłą odmianę alkoholu. Jej obecność nie jest jednak największą niespodzianką. Problem w tym, iż jest jej znacznie więcej, niż dopuszczają dotychczasowe modele chemiczne. To pierwszy potwierdzony przypadek znalezienia w przestrzeni międzygwiazdowej metanolu, w którym wszystkie 4 atomy wodoru zostały zastąpione deuterem. Odkrycie może zmienić sposób, w jaki rozumiemy powstawanie związków organicznych, jeszcze zanim narodzi się planeta.
Alkohol znaleźli tam, gdzie rodzą się gwiazdy
Odkrycia dokonał międzynarodowy zespół astronomów korzystający z ALMA, czyli sieci radioteleskopów znajdujących się na pustyni Atakama w Chile. Badacze przyglądali się obszarom, w których powstają młode gwiazdy podobne do naszego Słońca.
Ich szczególną uwagę przyciągnął obiekt IRAS 4A2, znajdujący się w obłoku molekularnym NGC 1333, będącym częścią większego kompleksu Perseusza. To region oddalony o około 1000 lat świetlnych, w którym materia międzygwiazdowa przez cały czas zapada się pod wpływem grawitacji, tworząc protogwiazdy.
Protogwiazda jest bardzo młodym obiektem, który dopiero gromadzi materię i nie osiągnął jeszcze etapu stabilnego spalania wodoru w swoim wnętrzu. Otacza ją gaz i pył, z których część może później uczestniczyć w powstawaniu planet.
Astronomowie wykryli tam metanol, ale nie w najbardziej rozpowszechnionej postaci. Chodzi o CD3OD, czyli całkowicie deuterowaną odmianę tego alkoholu. W opublikowanym badaniu zespół kierowany przez naukowców z Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka przedstawił pierwszą jednoznaczną identyfikację takiej cząsteczki w przestrzeni międzygwiazdowej.
Ten metanol jest cięższy niż zwykły alkohol
Zwykły metanol ma wzór CH3OH. Jest najprostszym alkoholem organicznym i na Ziemi służy przede wszystkim jako surowiec przemysłowy, rozpuszczalnik i paliwo. W kosmosie odgrywa jednak zupełnie inną rolę.
Na powierzchni drobnych ziaren pyłu, pokrytych lodem w bardzo zimnych obłokach międzygwiazdowych, metanol uczestniczy w reakcjach prowadzących do powstawania bardziej złożonych cząsteczek organicznych.
Odkryta odmiana różni się od zwykłego metanolu obecnością deuteru. To cięższy izotop wodoru, który oprócz protonu ma w jądrze również neutron. Chemicznie zachowuje się podobnie do zwykłego wodoru, ale jego większa masa wpływa na przebieg niektórych reakcji.
W przypadku CD3OD wszystkie cztery atomy wodoru zostały zastąpione deuterem. Astronomowie znali już wcześniej cząsteczki metanolu z jednym, dwoma albo trzema takimi podstawieniami. Nigdy jednak nie potwierdzili w przestrzeni międzygwiazdowej odmiany zawierającej aż cztery atomy deuteru. Teraz się to udało. Jest to zarazem pierwszy przypadek identyfikacji w tym środowisku cząsteczki, w której aż cztery atomy wodoru zostały zastąpione jego cięższym izotopem.
Jest go 100 razy więcej, niż powinno być
Już samo znalezienie nowej odmiany metanolu byłoby interesujące, ale badacze natrafili na jeszcze większą zagadkę. Z porównania obserwacji z dotychczasowymi modelami chemicznymi wynika, iż całkowicie deuterowany metanol występuje w badanym regionie w ilości około 100 razy większej, niż przewidują obliczenia.
To naprawdę ogromna rozbieżność. Nie chodzi o niewielkie odchylenie, które można łatwo wytłumaczyć niedokładnością pomiaru. Żaden z dostępnych modeli chemicznych nie potrafi w tej chwili prawidłowo odtworzyć tak dużej ilości CD3OD. Badacze podejrzewają, iż w opisach reakcji zachodzących na powierzchni lodowych ziaren pyłu brakuje istotnego procesu, który sprzyja zastępowaniu kolejnych atomów wodoru deuterem.
Związki deuterowane stanowią rodzaj zapisu warunków, w których powstały. Szczególnie duży udział deuteru wskazuje na procesy zachodzące w bardzo zimnym środowisku, jeszcze przed uformowaniem się adekwatnej gwiazdy. o ile naukowcy zdołają wyjaśnić, skąd bierze się tak duża ilość ciężkiego metanolu, lepiej zrozumieją również chemię pierwotnych obłoków, z których powstają całe układy planetarne.
Radioteleskopy zobaczył coś dziwnego
W kosmosie nie da się oczywiście pobrać próbki z odległości 1000 lat świetlnych i zbadać jej w laboratorium. Astronomowie identyfikują więc cząsteczki dzięki promieniowaniu emitowanemu przez gaz. Każda substancja ma charakterystyczny zestaw częstotliwości, przy których może emitować lub pochłaniać promieniowanie. Wynika to m.in. z jej budowy i sposobu, w jaki cząsteczki obracają się w przestrzeni.
ALMA potrafi rejestrować takie sygnały naprawdę z niezwykłą czułością. W przypadku CD3OD naukowcy zidentyfikowali 10 linii widmowych odpowiadających przewidywanemu zachowaniu tej substancji. Pozwoliło to uzyskać znacznie mocniejsze potwierdzenie niż wcześniejsze, niejednoznaczne obserwacje.
Odkrycia dokonano w ramach programu COMPASS, który obejmuje szczegółowe badania 11 młodych układów gwiazdowych. Łącznie zaplanowano ponad 100 godzin pracy radioteleskopów, aby porównać występujące w nich związki chemiczne.
Co ciekawe, ten sam program przyniósł jeszcze jeden wynik dotyczący metanolu. W 7 z 11 badanych obiektów wykryto naturalną emisję maserową tego związku. Maser działa na zasadzie podobnej do lasera, ale emituje promieniowanie w zakresie mikrofalowym. Takie naturalne źródła mogą powstawać w gazie pobudzanym przez zderzenia cząsteczek, np. w obszarach oddziaływania wypływów materii z otaczającym gazem. Okazuje się, iż sygnały tego rodzaju mogą być znacznie powszechniejsze wokół najmłodszych gwiazd, niż wcześniej zakładano.
Składniki przyszłych planet powstają bardzo wcześnie
Najważniejsze pytanie dotyczy jednak tego, co dzieje się z chemią obłoku, kiedy z czasem zaczynają formować się planety. Metanol jest jednym ze związków uczestniczących w budowaniu bardziej rozbudowanych cząsteczek organicznych. Zimne ziarna pyłu mogą działać jak mikroskopijne powierzchnie reakcyjne, na których atomy i cząsteczki spotykają się, reagują i tworzą nowe substancje.
Gdy w centrum obłoku zaczyna powstawać gwiazda, otaczająca ją materia stopniowo się ogrzewa. Część substancji uwięzionych dotąd w lodzie przechodzi do gazu, a astronomowie mogą rozpoznawać ich obecność dzięki liniom widmowym.
Nie oznacza to, iż wszystkie te związki trafią później na gotowe planety. Pokazuje jednak, iż chemia organiczna rozpoczyna się znacznie wcześniej niż samo formowanie planetarnych powierzchni.
Wcześniej opisywaliśmy odkrycie erytrulozy, czyli cukru znalezionego w przestrzeni międzygwiazdowej. Podobne związki mogły trafiać na młodą Ziemię wraz z kometami i planetoidami, zwiększając zasób substancji potrzebnych do późniejszych reakcji chemicznych.
Nie są to jednak wyłącznie teoretyczne rozważania. W komecie 3I/ATLAS astronomowie wykryli już duże ilości metanolu. Związki obecne w obszarach formowania gwiazd mogą być więc również składnikami niewielkich ciał powstałych w innych układach planetarnych.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
