Webb detecteert cruciaal koolstofmolecuul in protoplanetaire schijf
De vitale rol van een koolstofmolecuul genaamd methylkation (CH3+) in de interstellaire koolstofchemie werd voorspeld in de jaren zeventig maar de unieke eigenschappen van de Webb Space Telescope hebben het eindelijk mogelijk gemaakt om dit molecuul waar te nemen – in een deel van de ruimte waar zich uiteindelijk planeten zouden kunnen vormen die in staat zijn leven te huisvesten.
Koolstofverbindingen vormen de basis van al het bekende leven en zijn als zodanig van bijzonder belang voor wetenschappers die proberen te begrijpen hoe het leven zich op Aarde heeft ontwikkeld en hoe het zich mogelijk elders in ons heelal zou kunnen ontwikkelen.
Als zodanig is interstellaire organische chemie een gebied dat zeer gefascineerd is door astronomen die de plaatsen bestuderen waar nieuwe sterren en planeten ontstaan.
Moleculaire ionen die koolstof bevatten zijn vooral belangrijk omdat ze reageren met andere kleine moleculen om complexere organische verbindingen te vormen, zelfs bij lage interstellaire temperaturen.
Het methylkation (CH3+) is zo’n op koolstof gebaseerd ion.
Wetenschappers stellen sinds de jaren zeventig en tachtig dat dit ion van bijzonder belang is. Dit komt door een fascinerende eigenschap van CH3+, namelijk dat het reageert met een breed scala aan ander moleculen.
Dit kleine kation is belangrijk genoeg om te veranderstellen dat het de hoeksteen is van de interstellaire organische chemie, maar tot nu toe is het nooit gevonden. De unieke eigenschappen van Webb maakten het de ideale tool om naar dit cruciale kation te zoeken.
Deze waarneming van CH3+ bevestigt niet alleen de ongelooflijke gevoeligheid van Webb maar bevestigt ook het gepostuleerde centrale belang van CH3+ in de interstellaire chemie, aldus de onderzoekers.
Het CH3+-signaal werd gedetecteerd in de protoplanetaire schijf van het d203-506-systeem dat zich op ongeveer 1350 lichtjaar afstand bevindt, in de Orionnevel.
Terwijl de ster in d203-506 een kleine rode dwerg is, met een massa van slechts ongeveer een tiende van die van de Zon, wordt het systeem gebombardeerd door sterke ultraviolette straling van nabijgelegen hete, jonge, massieve sterren.
Astronomen geloven dat de meeste planeetvormende schijven een periode van zo’n intense ultraviolette straling doormaken, aangezien sterren de neiging hebben zich te vormen in groepen die vaak massieve, ultraviolet producerende sterren bevatten.
Fascinerend genoeg suggereert bewijs van meteorieten dat de protoplanetaire schijf die ons zonnestelsel vormde ook onderhevig was aan een enorme hoeveelheid ultraviolette straling die werd uitgezonden door een stellaire metgezel van onze Zon die allang is gestorven (massieve sterren branden helder en sterven veel sneller dan minder zware sterren).
De verwarrende factor bij dit alles is dat ultraviolette straling lange tijd werd beschouwd als puur destructief voor de vorming van complexe organische moleculen – en toch is er duidelijk bewijs dat de enige leven ondersteunende planeet waarvan we weten, is ontstaan uit een schijf die er zwaar aan is blootgesteld.
De onderzoekers hebben mogelijk de oplossing voor dit raadsel gevonden.
Hun werk voorspelt dat de aanwezigheid van CH3+ in feite verband houdt met ultraviolette straling, die de noodzakelijke energiebron levert voor de vorming van CH3+.
Bovendien lijkt de periode van ultraviolette straling die door bepaalde schijven wordt ervaren een grote invloed te hebben op hun chemie.
Dit toont duidelijk aan dat ultraviolette straling de chemie van een protoplanetaire schijf volledig kan veranderen. Het zou zelfs een cruciale rol kunnen spelen in de vroege chemische stadia van het ontstaan van leven door te helpen bij de productie van CH3+, iets dat misschien eerder werd onderschat.
Hoewel al in de jaren ’70 gepubliceerd onderzoek het belang van CH3+ voorspelde, was het voorheen vrijwel onmogelijk om het op te sporen.
Veel moleculen in protoplanetaire schijven worden waargenomen met behulp van radiotelescopen.
Om dit mogelijk te maken moeten de moleculen in kwestie echter een zogenaamd “permanent dipoolmoment” hebben, wat betekent dat de geometrie van het molecuul dusdanig is dat de elektrische lading permanent uit balans is, waardoor het molecuul een positief en een negatief einde heeft
CH3+ is symmetrisch en daarom is zijn lading in balans. Er is dus geen permanent dipoolmoment dat gebruikt kan worden voor waarnemingen met radiotelescopen.
Het zou theoretisch mogelijk zijn om spectroscopische lijnen waar te nemen die door CH3+ in het infrarood worden uitgezonden maar door de atmosfeer van de Aarde zijn deze in wezen onmogelijk waar te nemen vanaf onze planeet.
Het was dus noodzakelijk om een voldoende gevoelige ruimtetelescoop te gebruiken die signalen in het infrarood kon waarnemen. De NIRSpec- en MIRI-instrumenten van de Webb waren perfect voor deze klus.
Deze ontdekking werd volgens de onderzoekers alleen mogelijk gemaakt doordat astronomen, modelleerders en spectroscopisten in het laboratorium hun krachten bundelden om de unieke kenmerken van Webb te begrijpen, aldus de onderzoekers.
De ontdekking is in een artikel in het tijdschrift Nature gepubliceerd.
Artikel: O. Berné et al. Formation of the Methyl Cation by Photochemistry in a Protoplanetary Disk. Nature, published online June 26, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06307-x
Eerste publicatie: 27 juni 2023
Bron: sci-news/NASA/ESA
