Międzynarodowy zespół badaczy pod przewodnictwem Uniwersytetu w Bernie wykorzystał komputerowe modelowanie oparte na obserwacjach, aby znaleźć wyjaśnienie, w jaki sposób makrocząsteczki mogą formować się w krótkim czasie w dyskach gazu i pyłu wokół młodych gwiazd. Odkrycia te mogą mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób rozwija się zamieszkiwalność wokół różnych typów egzoplanet i gwiazd.
Organiczne makrocząsteczki są uważane za podstawowe elementy życia, ponieważ mają kluczowe znaczenie dla przyjaznego życiu składu węgla i azotu na Ziemi. Naukowcy zajmujący się planetami od dawna zakładali, że organiczne makrocząsteczki, które sprawiają, że Ziemia nadaje się do życia, pochodzą z tak zwanych chondrytów. Chondryty to skaliste elementy konstrukcyjne, z których Ziemia powstała około 4,6 miliarda lat temu i które dziś znamy jako meteoryty. Chondryty powstają we wczesnych stadiach poprzez gromadzenie się pyłu i małych cząstek w dysku protoplanetarnym, który tworzy się wokół młodej gwiazdy. Ale do tej pory pytanie brzmiało, w jaki sposób powstały makrocząsteczki obecne w tych skupiskach kamyków. Naukowcy pod przewodnictwem Nielsa Ligterinka przedstawiają teraz wyjaśnienie tego w badaniu, które właśnie zostało opublikowane w Nature Astronomy. Ligterink, pierwsza autorka badania, do końca czerwca 2024 r. pracowała w dziale Badań Kosmicznych i Nauk Planetarnych Uniwersytetu w Bernie, a obecnie jest adiunktem na Uniwersytecie Technicznym w Delfcie.
Pułapki pyłu i promieniowanie jako kluczowe elementy
„Materia makromolekularna sama w sobie odpowiada za skład węgla i azotu Ziemi i zapewnia warunki do życia” – wyjaśnia Ligterink. Jak dotąd nie było jednak jasne, gdzie w kosmosie powstaje ta materia makromolekularna.
W ramach obecnych badań zespół badawczy, który został utworzony przez Ligterink, połączył w swoim modelu dwa znane już zjawiska. Pierwsze z nich to zjawisko polegające na tym, że w dysku pyłowym krążącym wokół młodej gwiazdy znajdują się obszary, w których gromadzi się pył i lód. W takiej pułapce pyłowej lub lodowej lodowy pył nie pozostaje nieruchomy, ale porusza się w górę i w dół, a zachodzą ważne mechanizmy powstawania tak zwanych planetozymali, prekursorów i elementów budulcowych planet.
Drugie zjawisko obejmuje silne napromieniowanie, na przykład światłem gwiazdowym, prostych mieszanek lodu. Badania laboratoryjne wykazały, że napromieniowanie może tworzyć bardzo złożone cząsteczki o wielkości setek atomów. Te cząsteczki zawierają głównie atomy węgla i można je porównać do czarnej sadzy i grafenu.
Jeśli, jak zakładają badacze, istnieją pułapki pyłowe, które są również wystawione na intensywne światło gwiazd, organiczne makrocząsteczki mogą się tam tworzyć. Aby przetestować swoją hipotezę, badacze stworzyli model, który pozwolił im obliczyć różne warunki.
Zaskakująco szybkie tworzenie się makrocząsteczek
Model pokazał, że w odpowiednich warunkach formowanie makrocząsteczek jest rzeczywiście możliwe w ciągu zaledwie kilku dekad. „Spodziewaliśmy się takiego wyniku, oczywiście, ale to było miłe zaskoczenie, że był tak oczywisty” — mówi główny badacz Ligterink. „Mam nadzieję, że badania zwrócą większą uwagę na wpływ silnego promieniowania na złożone procesy chemiczne. Większość badaczy skupia się na stosunkowo małych cząsteczkach organicznych o wielkości kilkudziesięciu atomów, podczas gdy chondryty, budulec planet, zawierają głównie duże makrocząsteczki”.
„To naprawdę super, że możemy teraz użyć modelu opartego na obserwacji, aby wyjaśnić, jak mogą powstawać duże cząsteczki” — mówi współautorka Nienke van der Marel z Uniwersytetu w Lejdzie w Holandii. Jedenaście lat temu ona i jej współpracownicy jako pierwsi przekonująco zademonstrowali istnienie pułapek pyłowych. Od tamtej pory jest uzależniona od tego tematu. „Nasze badania to wyjątkowe połączenie astrochemii, obserwacji za pomocą radioteleskopu ALMA, pracy laboratoryjnej, ewolucji pyłu i badania meteorytów z naszego układu słonecznego”.
W przyszłości naukowcy planują zbadać, jak różne rodzaje pułapek pyłowych reagują odmiennie na promieniowanie i ruchome strumienie pyłu. „Pomoże im to dowiedzieć się więcej o prawdopodobieństwie życia wokół różnych typów egzoplanet i gwiazd” – podsumowuje Ligterink.
