Det högtflygande SOFIA-teleskopet kastar ljus över var några av de grundläggande byggstenarna för livet kan ha sitt ursprung. En färsk studie publicerad på The Astrophysical Journal: Letters ledd av astronomer från University of Hawaii, inklusive medarbetare från University of California Davis, Johns-Hopkins University, North Carolina Museum of Natural Sciences, Appalachian State University och flera internationella partners (inklusive finansiering från NASA), tittade på en kvardröjande mysterium i planetbildning: den kemisk väg för grundämnet svavel , och dess implikationer och roll i bildandet av planeter och liv.
Nummer 16 i det periodiska systemet, svavel är det tionde vanligaste grundämnet i universum. Inte bara är svavel ett spårämne involverat i bildandet av dammkorn runt unga stjärnor som leder till planeter, det misstänks också vara en nödvändig byggsten för liv. Att titta på fördelningen av svavel i universum kan också ge oss en inblick i historien om hur primitivt liv började här på jorden.
För studien tittade forskare på vad som kallas unga stjärnobjekt (YSOs). Dessa är unga stjärnor i ett skede innan de börjar smälta väte och är inbäddade i ett molekylärt moln rikt på damm och gas. Det specifika objektet som studien riktade mot var MonR2 IRS3, en kollapsande protostjärna i Monoceros R2 stjärnbildande region. Beläget i konstellationen av Monoceros enhörningen, (ibland även känd som narvalen) MonR2 IRS3 är en av många YSOs i regionen, ett förråd av protoplanetärt damm och gas som omger en kollapsande kärna.
Denna dramatiska infraröda bild visar den närliggande stjärnbildningsregionen Monoceros R2, som ligger cirka 2700 ljusår bort i stjärnbilden Monoceros. Bilden skapades från exponeringar i de nära infraröda banden Y, J och Ks tagna av VISTA-undersökningsteleskopet vid ESO:s Paranal-observatorium. Kreditera: ESO / J. Emerson / VISTA
Efter YSO-stadiet har gasen antingen blivit en del av stjärnan, dess planetsystem eller blåst bort. Stjärnan börjar sedan smälta samman väte till helium, liksom tyngre grundämnen som ses i mer massiva stjärnor. Unga stjärnobjekt som MonR2 IRS3 är alltså perfekta laboratorier för att undersöka den mystiska kemin som är involverad i bildandet av planeter och molekyler som behövs för liv.
V1331 Cygni belägen i det mörka molnet LDN 981 — eller, mer vanligt, Lynds 981 — tidigare definierad som en T Tauri-stjärna. A T Tauri är en ung stjärna - eller Young Stellar Object - som börjar dra ihop sig för att bli en huvudsekvensstjärna som liknar solen. Denna typ av YSO är längre fram i sin utveckling än MonR2 IRS3. Kreditera: ESA/Hubble STI/NASA
För studien använde teamet SOFIA – NASA:s Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy – ett ombyggt Boeing 747SP-flygplan med ett 2,5-meters infrarött teleskop monterat bakom en skjutdörr och riktat vinkelrätt mot flygplanets axel. Högtflygande SOFIA är idealisk för en sådan studie, eftersom den kan komma långt över huvuddelen av jordens atmosfäriska vattenånga, vilket hindrar infraröd astronomi.
Teamet använde den högupplösta Echelon-Cross-Echelle Spectrograph (“EXES”) monterade på SOFIA-teleskopet. Mon2 IRS3 hade tidigare observerats för en studie av kolmonoxid (CO) med hjälp av NIRSPEC-instrumentet på det stora, markbaserade Keck II-teleskopet, och dessa observationer hjälpte till att informera SOFIA:s undersökning av svaveldioxid (SO2), en molekyl som tros vara ett förvar för svavlet i protoplanetära system. Sirius, den ljusaste stjärnan på himlen, observerades också för att kalibrera data. EXES-observationerna gjorde det möjligt för observatörer att mäta den spektrala linjebredden för SO2i det stjärnbildande området för första gången, samt få insikt i överflöd av denna molekyl som en svavelreservoar. Till exempel smala linjer från varm SO2gas antyder issublimering via värme från den bildade kärnan, medan breda linjer indikerar stötar som sputter svavel från små korn. Denna studie fann en nedre gräns för SO2överflöd och fastställde att isar sublimerade från MonR2 IRS3 heta kärna kunde vara källan till SO2gas.
EXES (som sticker ut från fästet till vänster om tittaren) fästa på SOFIA-teleskopet. Kreditera: UCDavis
Efter Svavel
Observationer av svavelprocessen i en YSO är spännande. För första gången observerade teamet bildandet av SO2(svaveldioxid) i en het kärna, vilket visar att detta bildningssätt är minst lika effektivt som vid stötar. Vidare kan denna process vara viktig i YSO:er med lägre massa (dvs. mer lik vårt solsystem när det bildades för ~4,57 miljarder år sedan), vilket framtida observationer kan hjälpa till att bekräfta.
Framtida arbete kan också bidra till att fastställa den relativa betydelsen av andra primitiva svavelreservoarer. Om man tittar på svavelväte i YSO - som anses vara den huvudsakliga svavelbidragsgivaren i det primitiva solsystemet - visar att enkel strålningsuppvärmning och milda stötar är minst lika effektiva vid bildning och distribution av svavel, som man tidigare trodde från sputtering, starka stötar . Detta visar också en stark koppling mellan reservoarer av svavel som ses i vårt eget solsystem i kometen 67/P Churyumov-Gerasimenko, som utforskades av Europeiska rymdorganisationens Rosetta-uppdrag från 2014 till 2016.
'Dessa observationer tagna med SOFIA-teleskopet är nyckeln till att låsa upp några av hemligheterna med protoplanetära molekylreservoarer,' sa Dr. Rachel Smith (North Carolina Museum of Natural Sciences/Appalachian State University) tillUniversum idag.'Genom sådana kopplingar mellan olika datamängder för ett enda objekt kan vi så småningom bygga en heltäckande bild av utvecklingen av planeter och de molekyler som behövs för liv.'
Vad är nästa för nya observationer? För att hjälpa till att bekräfta hypotesen för SO2reservoar, behövs uppföljningsobservationer av svavelhaltiga isar från kommande uppdrag som rymdteleskopet James Webb som lanserades 2021, och kanske använde på igen, av igen WFIRST-uppdraget (Wide Field Infrared Space Telescope) som var nollställdes i NASA FY 2020 budgetförslag.
Med lanseringen av nya teleskop och förbättringar av befintliga, kan vi gå in i 'den infraröda astronomins guldålder' under det kommande decenniet, vilket gör att astronomer kan spåra grundämnen tillbaka till deras ursprungliga ursprung.