De hoogvliegende SOFIA-telescoop werpt licht op de oorsprong van enkele van de basisbouwstenen voor het leven. Een recent onderzoek is gepubliceerd op The Astrophysical Journal: Letters onder leiding van astronomen van de Universiteit van Hawaï, waaronder medewerkers van de Universiteit van Californië Davis, Johns-Hopkins University, het North Carolina Museum of Natural Sciences, Appalachian State University en verschillende internationale partners (inclusief financiering van NASA), keken naar een slepende mysterie bij de vorming van planeten: de chemische route van het element zwavel en de implicaties en rol ervan bij de vorming van planeten en leven.
Nummer 16 op het periodiek systeem, zwavel is het tiende meest voorkomende element in het heelal. Zwavel is niet alleen een tracerelement dat betrokken is bij de vorming van stofdeeltjes rond jonge sterren die naar planeten leiden, het wordt ook vermoedelijk een noodzakelijke bouwsteen voor het leven te zijn. Kijken naar de verspreiding van zwavel in het heelal kan ons ook inzicht geven in het verhaal van hoe primitief leven hier op aarde begon.
Voor de studie keken onderzoekers naar wat bekend staat als jonge stellaire objecten (YSO's). Dit zijn jonge sterren in een fase voordat ze waterstof gaan versmelten, en zijn ingebed in een moleculaire wolk die rijk is aan stof en gas. Het specifieke doelwit in de studie was MonR2 IRS3, een instortende protoster in het stervormingsgebied Monoceros R2. MonR2 IRS3, gelegen in het sterrenbeeld Monoceros de Eenhoorn (soms ook bekend als de Narwhal), is een van de vele YSO's in de regio, een opslagplaats van protoplanetair stof en gas rond een instortende kern.
Na de YSO-fase is het gas ofwel een deel van de ster, het planetaire systeem, geworden of weggeblazen. De ster begint dan waterstof te fuseren tot helium, evenals zwaardere elementen die te zien zijn in zwaardere sterren. Jonge stellaire objecten zoals MonR2 IRS3 zijn dus perfecte laboratoria voor het onderzoeken van de mysterieuze chemie die betrokken is bij de vorming van planeten en moleculen die nodig zijn voor het leven.
Voor de studie gebruikte het team SOFIA - NASA's Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy - een omgebouwd Boeing 747SP-vliegtuig met een infraroodtelescoop van 2,5 meter achter een schuifdeur en loodrecht gericht op de as van het vliegtuig. Hoogvliegende SOFIA is ideaal voor zo'n studie, omdat het ver boven het grootste deel van de atmosferische waterdamp van de aarde kan komen, wat de infraroodastronomie belemmert.
Het team gebruikte de Echelon-Cross-Echelle Spectrograph ("EXES") met hoge resolutie, gemonteerd op de SOFIA-telescoop. Mon2 IRS3 was eerder waargenomen voor een onderzoek naar koolmonoxide (CO) met behulp van het NIRSPEC-instrument op de grote, op de grond gebaseerde Keck II-telescoop, en deze waarnemingen hielpen het SOFIA-onderzoek naar zwaveldioxide (SO2), een molecuul waarvan wordt gedacht dat het een opslagplaats is voor de zwavel in protoplanetaire systemen. Sirius, de helderste ster aan de hemel, werd ook waargenomen om de gegevens te kalibreren. Met de EXES-waarnemingen konden waarnemers de spectrale lijnbreedte van SO meten2 in het stervormingsgebied en voor het eerst inzicht krijgen in de overvloed van dit molecuul als zwavelreservoir. Bijvoorbeeld smalle lijnen van warme SO2 gas suggereert ijssublimatie via warmte van de vormkern, terwijl brede lijnen wijzen op schokken die zwavel van kleine korrels sputteren. Deze studie vond een ondergrens voor SO2 overvloed, en vastgesteld dat ijs dat gesublimeerd is vanuit de MonR2 IRS3 hot core de bron van de SO zou kunnen zijn2 gas.
De zwavel volgen
Waarnemingen van het zwavelproces in een YSO zijn intrigerend. Voor het eerst observeerde het team de vorming van SO2 (zwaveldioxide) in een hete kern, wat aantoont dat deze vorm van vorming minstens zo efficiënt is als bij schokken. Verder kan dit proces belangrijk zijn bij YSO's met een lagere massa (d.w.z. meer verwant aan ons zonnestelsel toen het ~ 4,57 miljard jaar geleden aan het vormen was), wat toekomstige waarnemingen kunnen helpen bevestigen.
Toekomstig werk kan ook helpen het relatieve belang van andere primitieve zwavelreservoirs vast te stellen. Als we kijken naar waterstofsulfide in YSO's - waarvan wordt gedacht dat ze de belangrijkste bijdrage leveren aan zwavel in het primitieve zonnestelsel - blijkt dat eenvoudige stralingsverwarming en milde schokken minstens zo efficiënt zijn bij de vorming en distributie van zwavel, zoals eerder werd gedacht bij sputteren, sterke schokken . Dit toont ook een sterk verband aan tussen de reservoirs van zwavel in ons eigen zonnestelsel in komeet 67 / P Churyumov-Gerasimenko, dat werd onderzocht door de Rosetta-missie van de European Space Agency van 2014 tot 2016.
"Deze waarnemingen die met de SOFIA-telescoop zijn gedaan, zijn de sleutel tot het ontsluiten van enkele van de geheimen van protoplanetaire moleculaire reservoirs", vertelde Dr. Rachel Smith (North Carolina Museum of Natural Sciences / Appalachian State University). Space Magazine. "Door dergelijke verbindingen tussen verschillende datasets voor een enkel object, kunnen we uiteindelijk een alomvattend beeld krijgen van de evolutie van planeten en de moleculen die nodig zijn voor het leven."
Wat volgt er voor nieuwe waarnemingen? Om de hypothese voor de SO te helpen bevestigen2 reservoir, vervolgwaarnemingen van zwavelhoudende ijsjes zijn nodig van aankomende missies zoals de James Webb-ruimtetelescoop die in 2021 wordt gelanceerd, en misschien met behulp van de WFIRST-missie opnieuw aan en uit (de Wide Field Infrared Space Telescope) die op nul werd gezet in het budgetvoorstel van NASA FY 2020.
Met de lancering van nieuwe telescopen en verbeteringen aan bestaande, kunnen we in de komende decade de ‘gouden eeuw van de infraroodastronomie’ betreden, waardoor astronomen elementen kunnen terugvoeren naar hun oorspronkelijke oorsprong.
