Webb rileva per la prima volta una molecola di carbonio cruciale in un disco di formazione planetaria

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Un team internazionale di scienziati, utilizzando i dati del James Webb Space Telescope della NASA/ESA/Canadian Space Agency, ha rilevato per la prima volta una molecola nota come catione metilico (CH3+) presente nel disco protoplanetario attorno a una giovane stella. Hanno realizzato questa impresa con l’analisi multidisciplinare di esperti, incluso il contributo chiave degli esperti di spettroscopia in laboratorio. Questa semplice molecola ha una proprietà unica: interagisce in modo relativamente inefficiente con l’elemento più abbondante nel nostro universo (l’idrogeno), ma interagisce prontamente con altre molecole per avviare la crescita di molecole di carbonio più complesse.

La chimica del carbonio è di particolare interesse per gli astronomi perché tutte le forme di vita conosciute dipendono dal carbonio. Il ruolo vitale di CH3 nella chimica del carbonio interstellare è stato previsto per la prima volta negli anni ’70, ma le capacità uniche di Webb hanno finalmente permesso di notarlo, in una regione dello spazio in cui si potrebbero formare pianeti che potrebbero eventualmente sostenere la vita.

I composti del carbonio sono la base di tutte le forme di vita conosciute e sono quindi di particolare interesse per gli scienziati che cercano di capire come si è evoluta la vita sulla Terra e come potrebbe essersi evoluta altrove nell’universo. Pertanto, la chimica organica interstellare è un argomento affascinante per gli astronomi che studiano i luoghi in cui si formano nuove stelle e pianeti. Gli ioni molecolari contenenti carbonio sono particolarmente importanti, perché reagiscono con altre piccole molecole per formare composti organici più complessi, anche a basse temperature interstellari.

Un catione metilico (CH3+) è un tale ione carbonio. Dagli anni ’70 e ’80, gli scienziati hanno considerato il CH3+ di particolare interesse. Ciò è dovuto a una proprietà notevole del CH3+, ovvero che interagisce con un gran numero di altre molecole. Questo minuscolo catione è abbastanza importante da essere una pietra angolare della chimica organica interstellare, ma deve ancora essere scoperto. Le caratteristiche uniche del James Webb Space Telescope lo hanno reso lo strumento ideale per la ricerca di questo catione cruciale e un gruppo di scienziati internazionali lo ha già individuato per la prima volta utilizzando Webb. “Questa rilevazione di CH3+ non solo dimostra la straordinaria sensibilità di James Webb, ma conferma anche la presunta centralità di CH3+ nella chimica interstellare”, spiega Marie-Alain Martin dell’Università Paris-Saclay in Francia, spettroscopista e membro del team scientifico.

Immagine: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb) e il team ERS di PDRs4All

Il segnale CH3+ è stato rilevato nel sistema di dischi stella-protoplanetari noto come d203-506, che si trova a circa 1.350 anni luce di distanza nella Nebulosa di Orione. Anche se la stella in d203-506 è una piccola stella nana rossa, circa un decimo della massa del Sole, il sistema è pesantemente bombardato dalla radiazione ultravioletta proveniente da giovani stelle vicine, massicce e calde. Gli scienziati ritengono che la maggior parte dei dischi protoplanetari che formano pianeti sperimentino un tale periodo di intensa radiazione ultravioletta, perché le stelle di solito si formano in ammassi che spesso contengono enormi stelle che producono ultravioletti. Sorprendentemente, i meteoriti mostrano che anche il disco protoplanetario da cui si è formato il nostro sistema solare è stato esposto a un’enorme quantità di radiazioni ultraviolette, da un compagno stellare al nostro Sole morto da tempo (le stelle massicce bruciano intensamente e muoiono molto più velocemente delle stelle meno massicce). Il fattore di confusione in tutto questo è che la radiazione ultravioletta è stata a lungo considerata piuttosto distruttiva per la formazione di molecole organiche complesse – eppure ci sono prove evidenti che l’unico pianeta che supporta la vita che conosciamo si sia evoluto da un disco così esposto ad esso.

Il team che ha condotto questa ricerca potrebbe aver trovato la soluzione a questo enigma. Il loro lavoro prevede che la presenza di CH3+ sia in realtà correlata alla radiazione ultravioletta, che fornisce la fonte di energia necessaria per la formazione di CH3+. Inoltre, il periodo di radiazione ultravioletta a cui sono esposte alcune compresse sembra avere un effetto significativo sulla loro composizione chimica. Ad esempio, le osservazioni di Webb sui dischi protoplanetari che non sono soggetti a intense radiazioni ultraviolette da una fonte vicina mostrano una grande abbondanza di acqua, in contrasto con d203-506, dove il team non è stato in grado di rilevare alcuna acqua. L’autore principale, Olivier Bernier dell’Università di Tolosa, in Francia, spiega: “Questo dimostra chiaramente che la radiazione UV può alterare completamente la chimica di un disco protoplanetario. Può persino svolgere un ruolo cruciale nelle prime fasi chimiche della vita contribuendo a produrre CH3 + – Qualcosa che potrebbe essere stato sottovalutato in passato.”

Sebbene la ricerca pubblicata dagli anni ’70 abbia previsto l’importanza del CH3+, in precedenza era quasi impossibile rilevarlo. Molte particelle vengono osservate nei dischi protoplanetari utilizzando radiotelescopi. Perché ciò sia possibile, le molecole coinvolte devono avere quello che viene chiamato un “momento di dipolo permanente”, il che significa che la geometria della molecola è permanentemente sbilanciata, dando alla molecola una “estremità” positiva e negativa. CH3+ è simmetrico e quindi ha una carica equilibrata, quindi non ha il momento di dipolo permanente necessario per le osservazioni del radiotelescopio. Sarebbe teoricamente possibile osservare le righe spettrali di CH3 + nell’infrarosso, ma l’atmosfera terrestre rende impossibile osservare queste righe dalla Terra. Quindi è stato necessario utilizzare un telescopio spaziale sufficientemente sensibile in grado di monitorare i segnali nell’infrarosso. Gli strumenti NIRSpec, parte del contributo europeo a Webb, e MIRI, di cui l’Europa contribuisce per metà, erano ideali per il compito. di CH3+ era stato precedentemente così sfuggente che quando il team ha visto per la prima volta il segnale nei propri dati, non era sicuro di come identificarlo. Sorprendentemente, il team è stato in grado di interpretare i suoi risultati entro quattro brevi settimane, attingendo all’esperienza di un team internazionale con diverse competenze.

La scoperta di CH3 è stata resa possibile solo da una collaborazione tra astronomi osservativi, modellisti astrochimici, teorici e scienziati di spettroscopia sperimentale, che hanno combinato le capacità uniche del JWST nello spazio con quelle dei laboratori terrestri per studiare con successo la formazione e l’evoluzione del nostro universo locale. spiega. Mary Ellen Martin aggiunge: “La nostra scoperta è stata possibile solo perché astronomi, modellisti e spettroscopisti di laboratorio hanno unito le forze per comprendere le caratteristiche uniche osservate da James Webb”.