Leidse astronomen ontdekken bouwstenen voor leven in de donkerste delen van een ster-vormende wolk

Een internationaal team onder leiding van Leidse astronomen heeft verschillende soorten ijs ontdekt in de donkerste, koudste delen van een moleculaire wolk. Hiervoor gebruikten ze de James Webb Space Telescope. Deze ontdekking stelt astronomen in staat om de eenvoudige ijzige moleculen te onderzoeken die in toekomstige exoplaneten zullen worden opgenomen, terwijl een nieuw venster wordt geopend op de oorsprong van complexere moleculen die de eerste stap zijn in het creëren van de bouwstenen van het leven.

Als je een bewoonbare planeet wilt bouwen, is ijs een essentieel ingrediënt, omdat ze de belangrijkste dragers zijn van verschillende belangrijke lichtelementen - namelijk koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof en zwavel (gezamenlijk CHONS genoemd). Deze elementen zijn belangrijke ingrediënten in zowel planetaire atmosferen als moleculen zoals suikers, alcoholen en eenvoudige aminozuren. In ons zonnestelsel wordt aangenomen dat ze op het aardoppervlak zijn afgeleverd door inslagen met ijzige kometen of asteroïden. Bovendien denken astronomen dat dergelijk ijs hoogstwaarschijnlijk al aanwezig was in de donkere wolk van koud stof en gas die uiteindelijk zou instorten om het zonnestelsel te vormen. In deze delen van de ruimte bieden ijzige stofdeeltjes een unieke omgeving voor atomen en moleculen om elkaar te ontmoeten, wat chemische reacties kan veroorzaken die veel voorkomende stoffen zoals water vormen. Gedetailleerde laboratoriumstudies hebben verder aangetoond dat zich onder deze ijzige omstandigheden enkele eenvoudige prebiotische moleculen kunnen vormen.

Nu heeft een internationaal team van astronomen met behulp van de NASA/ESA/CSA James Webb-ruimtetelescoop een diepgaande inventarisatie aangekondigd van de diepste, koudste ijslagen die tot nu toe zijn gemeten in een moleculaire wolk. Naast eenvoudig ijs zoals water, was het team in staat om bevroren vormen van een breed scala aan moleculen te identificeren, van carbonylsulfide, ammoniak en methaan tot het eenvoudigste complexe organische molecuul, methanol (in het interstellaire medium worden organische moleculen beschouwd als om complex te zijn als het zes of meer atomen heeft). Dit is de meest uitgebreide telling tot nu toe van de ijzige ingrediënten die beschikbaar zijn om toekomstige generaties sterren en planeten te maken, voordat ze worden verwarmd tijdens de vorming van jonge sterren. Deze ijzige korrels worden groter terwijl ze in de proto-planetaire schijven van gas en stof rond deze jonge sterren worden gesluisd, waardoor astronomen in wezen alle potentiële ijzige moleculen kunnen bestuderen die in toekomstige exoplaneten zullen worden opgenomen.

“Onze resultaten bieden inzichten in de eerste, donkere scheikundige stage van de formatie van ijs op de interstellaire stofkorrels die tot kiezels van een centimeter groot zullen groeien, waarvan planeten vormen in discs", zei Melissa McClure, een astronoom bij de Oude Sterrewacht die de voornaamste onderzoeker is van het observatieprogramma en de hoofdauteur van het verslag dat het resultaat beschrijft. “Deze observaties openen een nieuw inzicht in de vormende paden voor de simpele en complexe moleculen die nodig zijn voor de bouwblokken van leven."

Naast de geïdentificeerde moleculen, heeft het team bewijs gevonden voor pre-biotische moleculen, die meer complex zijn dan methanol in deze compacte wolk ijzen, en, hoewel zij deze signalen niet definitief hebben toegekend aan specifieke moleculen, bewijst het voor de eerste keer dat complexe moleculen zich vormen in de ijzige dieptes van moleculaire wolken voordat sterren geboren zijn. 

“Onze identificatie van complexe organische moleculen, zoals methanol en potentieel ethanol, suggesteert ook dat de vele ster- en planeetsystemen die zich ontwikkelen in deze specifieke wolk moleculen zullen erven die in een redelijk vergevorderde chemische staat zijn", voegde Will Rocha toe, een astronoom bij de Leidse Sterrewacht die bijgedragen heeft aan deze ontwikkeling. "Dit kan betekenen dat de aanwezigheid van prebiotische moleculen in planetaire systemen een veelvoorkomend resultaat is van sterformatie, in plaats van een unieke kenmerk van onze eigen zonnestelstel." 

Door het detecteren van zwavel-dragende ijzen carbonylsulfide, konden de onderzoekers voor de eerste keer de hoeveelheid zwavel die vastzat in ijzige pre-sterren stofvlokken gokken. Terwijl de hoeveelheid groter is dan eerder geobserveerd was, is het nog steeds minder dan de totale hoeveelheid waarvan de onderzoekers verwachten dat aanwezig was in de wolk, gebaseerd op de dichtheid. Dit is ook waar voor de andere CHONS elementen. Een grote uitdaging voor astronomen is begrijpen waarom deze elementen zichzelf verstoppen: in ijs, in roetachtige materialen, of rotsen. De hoeveelheid CHONS in elke soort materiaal bepaalt hoeveel van deze elementen in de atmosferen van exoplaneten eindigen, en tot in hoeverre in hun interieur. 

“Het feit dat we nog niet alle CHONS hebben gezien die we verwachten, kan aangeven dat ze opgesloten zijn in meer rotsachtige of roetachtige materialen die we niet kunnen meten", vertelde McClure. "Dit zou een grotere hoeveelheid diversiteit kunnen toelaten in de grootschalige compositie van aardse planeten." 

De ijzen zijn gedetecteerd en gemeten door te bestuderen hoe sterrenlicht vanuit buiten de moleculaire wolk geabsorbeerd was door ijzige moleculen bij specifieke golflengtes van infrared stralen zichtbaar voor Webb. Dit proces laat chemische vingerafdrukken achter, bekend als absorptie spectrum die vergelijken kunnen worden met laboratorium data om te identificeren welke ijzen aanwezig zijn in de moleculaire wolk. In dit onderzoek richtte het team zich op ijzen die begraven zijn in een bijzonder koud, dicht en moeilijk te onderzoeken regio van de Chameleon I moleculaire wolk, een regio die ruwweg 500 lichtjaren van de aarde verwijderd is, die op het moment in het proces is om tientallen jonge sterren te vormen.

“We konden deze ijzen simpelweg niet geobserveerd hebben zonder Webb", licht Klaus Pontoppidan toe, Webb project wetenschapper bij het Space Telescope Science Institute, die betrokken was bij dit onderzoek. “De ijzen verschijnen als dalingen tegen een continuüm van sterrenlicht op de achtergrond. In regios die zo koud en dicht zijn, is een groot deel van het licht van de achtergrondster geblokkeerd en de uitzonderlijke gevoeligheid van Webb was nodig om het sterrenlicht te detecteren en hierdoor de ijzen te identificeren in de moleculaire wolk." 

Dit onderzoek maakt deel uit van het Ice Age project, een van de 13 Early Release Science programma's van Webb. Deze observaties zijn ontworpen om de observerende capaciteiten van Webb te laten zien, en om de astronomische gemeenschap de kans te geven om te leren hoe zij het beste resultaat kunnen vergelijken van zijn instrumenten. Het Ice Age team heeft al verdere observaties ingepland en hoopt om de reizen van de ijzen te traceren vanaf hun formatie door de assemblage van ijzige kometen. 

“Dit is maar de eerste in een serie van spectrale momentopnames, die we zullen verkrijgen om te zien hoe de ijzen evolueren van hun initiële syntheses tot de komeet-vormende regio’s van proto-planetaire discs", concludeert McClure. "Dit zal ons vertellen welke mix van ijzen - en daarom welke elementen - eventueel geleverd kunnen worden aan het oppervlak van aardse exoplaneten of opgenomen worden in de atmosferen van gas- of ijsplaneten."