ウェッブは分子雲の凍ったコアをのぞき込み、星の前の氷の化学の暗い側面を明らかにする

ウェッブは、二酸化炭素、アンモニア、メタンなど、さまざまな分子の固定化された形態を特定しました。

天文学者の国際チームは、[{” attribute=””>NASA’s James Webb Space Telescope. This result allows astronomers to examine the simple icy molecules that will be incorporated into future exoplanets, while opening a new window on the origin of more complex molecules that are the first step in the creation of the building blocks of life.

This image by NASA’s James Webb Space Telescope’s Near-Infrared Camera (NIRCam) features the central region of the Chamaeleon I dark molecular cloud, which resides 630 light years away. The cold, wispy cloud material (blue, center) is illuminated in the infrared by the glow of the young, outflowing protostar Ced 110 IRS 4 (orange, upper left). The light from numerous background stars, seen as orange dots behind the cloud, can be used to detect ices in the cloud, which absorb the starlight passing through them. Credit: Image: NASA, ESA, CSA, Science: Fengwu Sun (Steward Observatory), Zak Smith (The Open University), IceAge ERS Team, Image Processing: M. Zamani (ESA/Webb)

James Webb Space Telescope Unveils Dark Side of Pre-stellar Ice Chemistry

If you want to build a habitable planet, ices are a vital ingredient because they are the main source of several key elements — namely carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur (referred to here as CHONS). These elements are important ingredients in both planetary atmospheres and molecules like sugars, alcohols, and simple amino acids.

An international team of astronomers using NASA’s James Webb Space Telescope has obtained an in-depth inventory of the deepest, coldest ices measured to date in a molecular cloud.^[1] 水のような単純な氷に加えて、チームは、硫化カルボニル、アンモニア、メタンから、最も単純で複雑な有機分子であるメタノールまで、幅広い分子の凍結形態を特定することができました。 (研究者たちは、6 つ以上の原子が存在する場合、有機分子は複雑であると考えていました。) これは、若い星の形成中に加熱される前に、将来の世代の星や惑星を形成するために利用できる氷の成分の、これまでで最も包括的なセンサスです。

オランダのライデン天文台の天文学者で、観測プログラムの主任研究者であり、この発見を説明する論文の筆頭著者であるメリッサ・マクルーアは、次のように述べています。 「これらの観察は、生命のビルディングブロックを作るために必要な単純および複雑な分子の形成経路に関する新しい窓を開きます。」

上の画像の注釈付きバージョン。 この研究で使用された 2 つの背景星、NIR38 と J110621 は、画像上に白で示されています。 クレジット: NASA、ESA、CSA、および M. Zamani (ESA/Webb)。 科学: F. Sun (Stward Observatory)、Z. Smith (Open University)、および Ice Age ERS ​​チーム

彼らが特定した分子に加えて、チームはメタノールよりも複雑な分子の証拠を発見しました。これらのシグナルを特定の分子に明確に帰することはできませんでしたが、これは複雑な分子が分子雲の氷の深さで形成されることを初めて証明しました星が生まれる前に..

発見に貢献したライデン天文台の天文学者であるウィル・ローチャは付け加えた。 「これは、惑星系におけるプレバイオティクスの前駆体分子の存在が、私たちの太陽系のユニークな特徴ではなく、星形成の一般的な結果であることを意味する可能性があります.」

研究者は、硫黄を含む氷状のカルボニル硫化物を検出することで、氷状の前星のダスト粒子に存在する硫黄の量を初めて推定することができました。 測定された量は以前に観察されたよりも多いですが、その密度に基づいて、この雲に存在すると予想される総量よりもまだ少ない. これは、他の CHONS にも当てはまります。 天文学者にとっての主な課題は、これらの元素がどこに隠れているかを理解することです: 氷、煤のような物質、岩などです。 各タイプの素材に含まれる CHONS の量によって、最終的に処理されるアイテムの量が決まります。[{” attribute=””>exoplanet atmospheres and how much in their interiors.

“The fact that we haven’t seen all of the CHONS that we expect may indicate that they are locked up in more rocky or sooty materials that we cannot measure,” explained McClure. “This could allow a greater diversity in the bulk composition of terrestrial planets.

Astronomers have taken an inventory of the most deeply embedded ices in a cold molecular cloud to date. They used light from a background star, named NIR38, to illuminate the dark cloud called Chamaeleon I. Ices within the cloud absorbed certain wavelengths of infrared light, leaving spectral fingerprints called absorption lines. These lines indicate which substances are present within the molecular cloud.
These graphs show spectral data from three of the James Webb Space Telescope’s instruments. In addition to simple ices like water, the science team was able to identify frozen forms of a wide range of molecules, from carbon dioxide, ammonia, and methane, to the simplest complex organic molecule, methanol.
In addition to the identified molecules, the team found evidence for molecules more complex than methanol (indicated in the lower-right panel). Although they didn’t definitively attribute these signals to specific molecules, this proves for the first time that complex molecules form in the icy depths of molecular clouds before stars are born.
The upper panels and lower-left panel all show the background star’s brightness versus wavelength. A lower brightness indicates absorption by ices and other materials in the molecular cloud. The lower-right panel displays the optical depth, which is essentially a logarithmic measure of how much light from the background star gets absorbed by the ices in the cloud. It is used to highlight weaker spectral features of less abundant varieties of ice.
Credit: Illustration: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Science: Klaus Pontoppidan (STScI), Nicolas M. Crouzet (LEI), Zak Smith (The Open University), Melissa McClure (Leiden Observatory)

Chemical characterization of the ices was accomplished by studying how starlight from beyond the molecular cloud was absorbed by icy molecules within the cloud at specific infrared wavelengths visible to Webb. This process leaves behind chemical fingerprints known as absorption lines which can be compared with laboratory data to identify which ices are present in the molecular cloud. In this study, the team targeted ices buried in a particularly cold, dense, and difficult-to-investigate region of the Chamaeleon I molecular cloud, a region roughly 500 light-years from Earth that is currently in the process of forming dozens of young stars.

“We simply couldn’t have observed these ices without Webb,” elaborated Klaus Pontoppidan, Webb project scientist at the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, who was involved in this research. “The ices show up as dips against a continuum of background starlight. In regions that are this cold and dense, much of the light from the background star is blocked, and Webb’s exquisite sensitivity was necessary to detect the starlight and therefore identify the ices in the molecular cloud.”

この研究は、 氷河期プロジェクト、Webb の 13 のアーリー リリース プログラムの 1 つです。 これらの観測は、ウェッブの観測能力を紹介し、天文学コミュニティがその機器を最大限に活用する方法を学べるように設計されています。 氷河期チームは、すでにさらなる観測を計画しており、氷の形成から氷の彗星の収集までの氷の旅をたどることを望んでいます。

「一連のスペクトルスナップショットの中で、氷が最初の組成から原始惑星系ディスクの彗星形成領域にどのように進化するかを確認できるのはこれが初めてです」とMcClureは結論付けました。 「これにより、どの氷の混合物、つまりどの元素が最終的に地球外惑星の表面に運ばれたり、巨大ガス惑星や氷惑星の大気に組み込まれたりする可能性があるかがわかります。」

これらの結果は、1 月 23 日号に掲載されました。 自然天文学.

ノート

1. 分子雲は、水素や一酸化炭素などの分子が形成されるガスと塵の巨大な星間雲です。 周囲よりも密度の高い分子雲の冷たくて密集した塊は、崩壊して原始星を形成した場合、星形成の場所になる可能性があります。

参考文献：M.K. McClure, D. . Qasim、MJ Rasheed、ZL Smith、Fengo Sun、Tracy L. Beck、ACA Bogert、W. Brown、B. Caselli、S.B. Charnley、Herma M. Cobbin、H. Dickinson、M.N. Drozdovskaya、Egami、J. Erkal、H. Fraser, RT Garrod, DeHarsono, S. Iopoulou, I Jimenez-Serra, MJin, JK Jorgensen, Lee Christensen, DC Lees, MRS McCostra, Brett A McGuire, JG Melnick, Karen I Oberg, May Palumbo , T. Shimonishi, J.A. Storm 、EF Van Dishoek および H. Lennarts、2023 年 1 月 23 日、こちらから入手可能。 自然天文学.
DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w

ジェームズ ウェッブ宇宙望遠鏡は、世界有数の宇宙科学天文台です。 ウェッブは、太陽系の謎を解き、他の星の周りの遠く離れた世界を見渡し、神秘的な構造と宇宙の起源とその中での私たちの場所を探ります. Webb は、NASA がパートナーの ESA (欧州宇宙機関) およびカナダ宇宙機関と共に主導する国際的なプログラムです。