Ethanol und eisige Elemente neuer Welten

Ein internationales Team von Astronomen nutzt das NASA/ESA/CSA James Webb-Weltraumteleskop haben eine Vielzahl von Molekülen entdeckt, von relativ einfachen wie Methan bis hin zu komplexen Verbindungen wie Essigsäure Säure und Ethanol in Protosternen im Frühstadium, in denen sich noch keine Planeten gebildet haben. Dies sind Schlüsselzutaten für die Schaffung potenziell bewohnbarer Welten.

Das Vorhandensein komplexer organischer Moleküle (COMs)^[1] in der festen Phase in Protosternen wurde erstmals vor Jahrzehnten durch Laborexperimente vorhergesagt, und andere Weltraumteleskope haben vorläufige Nachweise dieser Moleküle gemacht. Dazu gehört Webbs Early Release Science Ice Age-Programm, das mehrere Eissorten in den bisher gemessenen dunkelsten und kältesten Regionen einer Molekülwolke entdeckte.

Neue Entdeckungen des Webb-Teleskops

Mit der beispiellosen spektralen Auflösung und Empfindlichkeit von Webbs Mid-InfraRed Instrument (MIRI) im Rahmen des JOYS+-Programms (James Webb Observations of Young ProtoStars) wurden diese COMs nun einzeln identifiziert und ihr Vorhandensein im interstellaren Eis bestätigt. Dazu gehört der zuverlässige Nachweis von Acetaldehyd, Ethanol (was wir Alkohol nennen), Methylformiat und wahrscheinlich Essigsäure (die Säure im Essig) in der festen Phase.

„Dieser Befund trägt zu einer der seit langem bestehenden Fragen in der Astrochemie bei“, sagte Teamleiter Will Rocha von der Universität Leiden in den Niederlanden. „Was ist der Ursprung von COMs im Weltraum? Werden sie in der Gasphase oder in Eis hergestellt? Der Nachweis von COMs in Eis legt nahe, dass chemische Festphasenreaktionen auf den Oberflächen kalter Staubkörner komplexe Arten von Molekülen bilden können.“

Bedeutung von Festphasen-COMs

Da mehrere COMs, darunter auch die in dieser Forschung in der festen Phase entdeckten, zuvor in der warmen Gasphase nachgewiesen wurden, geht man heute davon aus, dass sie aus der Sublimation von Eis stammen. Unter Sublimation versteht man den direkten Übergang vom Feststoff in den Gaszustand, ohne dabei flüssig zu werden. Daher gibt der Nachweis von COMs im Eis den Astronomen Hoffnung, ein besseres Verständnis der Ursprünge anderer, noch größerer Moleküle im Weltraum zu entwickeln.

Harold Linnartz^[2] leitete über viele Jahre das Labor für Astrophysik in Leiden und koordinierte die Messungen der in dieser Studie verwendeten Daten. Ewine van Dishoeck von der Universität Leiden, eine der Koordinatoren des JOYS+-Programms, teilte mit: „Harold war besonders froh, dass die Arbeit im Labor bei den COM-Aufgaben eine wichtige Rolle spielen konnte, da sie schon lange auf sich warten lässt.“

Wissenschaftler möchten außerdem untersuchen, inwieweit diese COMs in viel späteren Stadien der Entwicklung des Protosterns zu Planeten transportiert werden. COMs im Eis werden effizienter in planetenbildende Scheiben transportiert als Gas aus Wolken. Diese eisigen COMs können daher von Kometen und Asteroiden geerbt werden, die wiederum mit sich bildenden Planeten kollidieren können. In diesem Szenario können COMs an diese Planeten geliefert werden und möglicherweise die Zutaten für das Gedeihen von Leben liefern.

Breiterer astrochemischer Kontext

Das Wissenschaftsteam entdeckte auch einfachere Moleküle, darunter Methan, Ameisensäure (die den Stich von Ameisen schmerzhaft macht), Schwefeldioxid und Formaldehyd. Insbesondere Schwefeldioxid ermöglicht es dem Team, den in Protosternen verfügbaren Schwefelhaushalt zu untersuchen. Darüber hinaus ist es von präbiotischem Interesse, da bestehende Forschungsergebnisse darauf hindeuten, dass schwefelhaltige Verbindungen eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Stoffwechselreaktionen auf der Urerde spielten. Es wurden auch negative Ionen nachgewiesen;^[3] Sie sind Teil von Salzen, die für die Entwicklung weiterer chemischer Komplexität bei höheren Temperaturen von entscheidender Bedeutung sind. Dies deutet darauf hin, dass das Eis möglicherweise viel komplexer ist und weiterer Forschung bedarf.

Von besonderem Interesse ist, dass eine der untersuchten Quellen, IRAS 2A, als Protostern mit geringer Masse charakterisiert wird. IRAS 2A könnte daher Ähnlichkeiten mit den Urstadien unseres eigenen Sonnensystems aufweisen. Wenn das der Fall ist, die Chemikalie Spezies Die in diesem Protostern identifizierten Sterne könnten in den ersten Entwicklungsstadien unseres Sonnensystems vorhanden gewesen sein und später auf die Urerde gebracht worden sein.

„Alle diese Moleküle können Teil von Kometen und Asteroiden und schließlich neuen Planetensystemen werden, wenn das eisige Material im Zuge der Entwicklung des protostellaren Systems nach innen zu den planetenbildenden Scheiben transportiert wird“, sagte van Dishoeck. „Wir freuen uns darauf, diese astrochemische Spur in den kommenden Jahren Schritt für Schritt mit weiteren Webb-Daten zu verfolgen.“

Andere aktuelle Arbeiten von Pooneh Nazari vom Observatorium Leiden wecken ebenfalls die Hoffnung der Astronomen, nach den vorläufigen Nachweisen von Methylcyanid und Ethylcyanid aus Webb NIRSpec-Daten mehr Komplexität im Eis zu finden. Nazari sagt: „Es ist beeindruckend, wie Webb es uns nun ermöglicht, die Eischemie bis hin zur Ebene der Cyanide, wichtiger Bestandteile der präbiotischen Chemie, weiter zu untersuchen.“

Anmerkungen

1. Ein Molekül ist ein Teilchen, das aus zwei oder mehr Atomen besteht, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Ein komplexes organisches Molekül ist ein Molekül mit mehreren Kohlenstoffatomen.
2. Diese Ergebnisse sind dem Teammitglied Professor Harold Linnartz gewidmet, der im Dezember 2023, kurz nach der Annahme dieser Arbeit, unerwartet verstarb. Linnartz leistete bedeutende Beiträge zur Erforschung gasförmiger und eisiger Moleküle im Weltraum. Er war Direktor des Leidener Laboratoriums für Astrophysik und viele der Eisphasenspektren einfacher und komplexer Moleküle, die in dieser Forschung verwendet wurden, wurden von Studenten unter seiner Aufsicht gesammelt. Linnartz war von der Qualität der Webb-Daten und der Bedeutung dieser Ergebnisse für die Astrochemie begeistert.
3. Ein Ion ist ein zu Tom oder Molekül, das über eine elektrische Gesamtladung verfügt, die aus einem Überschuss oder Defizit der Anzahl negativer Elektronen im Vergleich zur Anzahl positiver Protonen im Ion resultiert. Ein negatives Ion ist ein Ion mit einer negativen Nettoladung (also einem Elektronenüberschuss).

Referenz: „JWST Observations of Young protoStars (JOYS+): Detektion eisiger komplexer organischer Moleküle und Ionen – I. CH4, SO2, HCOO−, OCN−, H2CO, HCOOH, CH3CH2OH, CH3CHO, CH3OCHO und CH3COOH“ von WRM Rocha, EF van Dishoeck, M. E. Ressler, M. L. van Gelder, K. Slavicinska, N. G. C. Brunken, H. Linnartz, T. P. Ray, H. Beuther, A. Caratti o Garatti, V. Geers, P. J. Kavanagh, P. D. Klaassen, K. Justtanont, Y. Chen, L. Francis, C. Gieser, G. Perotti, Ł. Tychoniec, M. Barsony, L. Majumdar, VJM le Gouellec, LEU Chu, BWP Lew, Th. Henning und G. Wright, 13. März 2024, Astronomie und Astrophysik.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348427

Mehr Informationen

Diese Beobachtungen wurden im Rahmen des JOYS+-Programms (James Webb Observations of Young ProtoStars) durchgeführt, das von Ewine van Dishoeck von der Universität Leiden in den Niederlanden und Michael Ressler vom Jet Propulsion Laboratory der NASA koordiniert wurde. Die Forschung wurde von der Will Rocha Universität Leiden geleitet. Die Cyanatstudien wurden im Rahmen des IPA-Programms (Investigating Protostellar Accretion) durchgeführt, das von Tom Megeath von der Universität Toledo koordiniert wurde.

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All geschossen wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst des Teleskops mithilfe der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung von Ariane-5-Anpassungen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den leistungsstarken Spektrographen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarotinstruments MIRI zur Verfügung, das von einem Konsortium national finanzierter europäischer Institute (dem MIRI European Consortium) in Zusammenarbeit mit entworfen und gebaut wurde JPL und die University of Arizona.

Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen NASA, ESA und der Canadian Space Agency (CSA).