Новое исследование показывает, что химия прото-планетарного диска звезды может влиять на последующий состав атмосферы планеты.
Рождённые на диске из газа и щебня, планеты в конечном счёте слипаются вместе, так как большие и большие куски пыли и камня слипаются вместе. Возможно, они находятся за сотни световых лет от нас, но астрономы могут наблюдать за этими планетами по мере их образования.
Одной из главных достопримечательностей является химия щебня, который образуется вокруг звезды до образования планетарной системы, известной как протопланетарный диск.
Молекулы газа, которые плавают в диске, могут в конечном счете стать частью атмосферы планет. Если эти молекулы содержат кислород или азот, шансы на то, что планета станет дружелюбной к жизни, возрастают.
"Очень интересно подумать о молекулярном составе (этих дисках), - говорит Кэтрин Уолш, астроном Лейденской обсерватории в Нидерландах. "Молекулы, которые находятся в этих дисках, составят молекулы в планетарной атмосфере, и планетарные животные, такие как кометы."
Уолш возглавил новое исследование "Сложные органические молекулы в протопланетных дисках", которое было опубликовано в феврале 2014 года в журнале "Астрономия и астрофизика". В ходе исследования астрономы смоделировали процесс образования сложных молекул в протопланетных системах в надежде на лучшее понимание своих наблюдений.
Стремясь к наблюдениям высокой четкости
Молекулы в протопланетных дисках излучают свет в миллиметровой и субмиллиметровой частотах света, которые находятся между дальностями наблюдения радиотелескопов и инфракрасных телескопов. Однако до недавнего времени лишь немногие обсерватории были посвящены этой конкретной полосе света и обладали необходимыми возможностями для наблюдения за сложными молекулами.
"На сегодняшний день проделана большая работа, в основном с использованием одноканальных субмиллиметровых телескопов, - сказал Уолш.
Хотя любое наблюдение является полезным, единственная тарелка означала, что астрономы не смогли получить высокое пространственное разрешение и чувствительность, необходимые для наблюдения за более сложными молекулами. Однако в 2013 году ситуация изменилась, когда в Чили впервые загорелась Атакамская массивная система больших миллиметров (ALMA).
Обсерватория, охарактеризованная как крупнейший астрономический проект, который существует в настоящее время, в конечном счете будет включать 66 антенн, расположенных на высоте 5000 метров, что ставит ее выше большей части той части атмосферы, которая блокирует миллиметровый свет, поступающий на поверхность Земли.
"Это действительно следующее большое событие в молекулярной астрофизике, и ALMA даст нам порядки величины (улучшения) чувствительности", - сказал Уолш.
Хотя ее группа представила предложение изучить молекулы с использованием гигантской сети, популярность телескопа (который приносит много конкурирующих предложений) означает, что она не уверена, что они будут успешными.
Если им все же удастся получить отрезок времени, астрономам придется работать быстро, чтобы опубликовать свои результаты.
"Одно большое преимущество заключается в том, что через год все данные ALMA станут общедоступными. В конце концов, у нас будет огромный архив. Любой желающий может получить доступ к данным и опубликовать их вместе с научными данными", - сказал Уолш.
Где искать в первую очередь?
Сложные молекулы считаются "предшественниками" пребиотической химии или химии, создающей необходимые для жизни условия.
Знаменитый пример пребиотической химии произошел в 1952 году, когда ученые Стэнли Миллер и Гарольд К. Урей положили газовые формы метана, водорода, аммиака и водяного пара в герметичный контейнер, затем ударили газ электричеством (аналог молнии). После этого в течение недели в стенках контейнера находился органический осадок, который содержал несколько аминокислот, используемых организмом в настоящее время.
Вопрос, сказал Уолш, в том, какие сложные молекулы присутствуют в протопланетных дисках, и сможет ли ALMA их видеть? Сложные молекулы являются не только потенциальными предшественниками жизни, но и льдами, в которых они, как считается, образуют коагулянт, служащий для склеивания зерен пыли и формирования планет.
В своей работе она смоделировала окружающую среду вокруг звезд типа Таури, фазу, через которую проходит молодая звезда, прежде чем превратиться в такую звезду, как наше собственное Солнце. В отличие от более старых звезд, свет, излучаемый этими объектами, исходит от гравитационных сжатий по мере всасывания звездой материала с окружающего диска.
Команда Уолш использовала расчеты для создания модели диска, сосредоточившись на температуре, плотности, структуре и прочности ультрафиолетового света. Затем они использовали эту модель для расчета химии. Имея эту информацию в руках, они выполнили еще один набор вычислений, чтобы предсказать, что ALMA сможет увидеть.
Молекулы видны издалека, потому что их вращение производит отличительные спектры, или линейные излучения, которые можно увидеть с Земли. Модель предсказывала формальдегид - молекулу с четырьмя атомами, что было хорошо, поскольку результаты подтвердили то, что было обнаружено в предыдущих наблюдениях протопланетных дисков. Однако астрономы хотели бы найти более сложную молекулу, такую как метанол, производную метана, который на Земле естественным образом вырабатывается бактериями. В космосе метанол образуется несколько иначе: он является производной монооксида углерода.
Метанол еще не был замечен на протопланетных дисках. Чем сложнее молекула, тем менее ярким ее спектр появляется в телескопах, что затрудняет ее обнаружение. Тем не менее, по словам Уолш, она уверена, что телескоп ALMA справится с задачей обнаружения метанола, "первого шага по ступени сложности", что может привести к обнаружению еще более сложных молекул, содержащих как кислород, так и азот.
Если метанол обнаруживается, следующим шагом будет изучение того, где он появляется, и как он образуется. По всей вероятности, молекула будет формироваться на поверхности зерен пыли, поскольку считается, что сложные молекулы имеют неэффективные газофазовые пути к образованию из-за низкой плотности газа в пространстве.
Уолш сказал, что, узнав больше об этих сложных молекулах, мы также узнаем об ингредиентах, доступных в процессе формирования планеты, что поможет астрономам понять, каким образом появился молекулярный состав Земли и других планет Солнечной системы.
"Теперь мы видели тысячи экзопланет и знаем, что образование планеты повсеместно", - сказала она. "Теперь мы знаем, что во Вселенной гораздо больше планет, чем звезд, и существует много звезд (для исследований). В этой (протопланетарной) фазе так много предстоит сделать."
