Un equipo internacional de astrónomos ha informado del descubrimiento de varios hielos en las regiones más oscuras de una nube molecular fría medida hasta la fecha mediante el estudio de esta región. Este resultado permite a los astrónomos examinar las moléculas de hielo simples que se incorporarán a los futuros exoplanetas, al tiempo que abre una nueva ventana sobre el origen de moléculas más complejas que son el primer paso para crear los componentes básicos de la vida. Crédito: Imagen: NASA, ESA, CSA, Ciencia: Fengwu Sun (Observatorio Steward), Zak Smith (The Open University), Equipo IceAge ERS, Procesamiento de imágenes: M. Zamani (ESA/Webb)

Webb identificó formas congeladas de una amplia gama de moléculas, incluidos dióxido de carbono, amoníaco y metano.

El descubrimiento de varios hielos en las regiones más oscuras de una nube molecular fría medidos hasta ahora ha sido anunciado por un equipo internacional de astrónomos utilizando[{» attribute=»»>NASA’s James Webb Space Telescope. This result allows astronomers to examine the simple icy molecules that will be incorporated into future exoplanets, while opening a new window on the origin of more complex molecules that are the first step in the creation of the building blocks of life.

This image by NASA’s James Webb Space Telescope’s Near-Infrared Camera (NIRCam) features the central region of the Chamaeleon I dark molecular cloud, which resides 630 light years away. The cold, wispy cloud material (blue, center) is illuminated in the infrared by the glow of the young, outflowing protostar Ced 110 IRS 4 (orange, upper left). The light from numerous background stars, seen as orange dots behind the cloud, can be used to detect ices in the cloud, which absorb the starlight passing through them. Credit: Image: NASA, ESA, CSA, Science: Fengwu Sun (Steward Observatory), Zak Smith (The Open University), IceAge ERS Team, Image Processing: M. Zamani (ESA/Webb)

James Webb Space Telescope Unveils Dark Side of Pre-stellar Ice Chemistry

If you want to build a habitable planet, ices are a vital ingredient because they are the main source of several key elements — namely carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur (referred to here as CHONS). These elements are important ingredients in both planetary atmospheres and molecules like sugars, alcohols, and simple amino acids.

An international team of astronomers using NASA’s James Webb Space Telescope has obtained an in-depth inventory of the deepest, coldest ices measured to date in a molecular cloud.^[1] Además de hielos simples como el agua, el equipo pudo identificar formas congeladas de una amplia gama de moléculas, desde sulfuro de carbonilo, amoníaco y metano hasta la molécula orgánica compleja más simple, el metanol. (Los investigadores consideraron complejas las moléculas orgánicas cuando tenían seis o más átomos). Este es el censo más completo hasta la fecha de los ingredientes helados disponibles para hacer futuras generaciones de estrellas y planetas, antes de calentarse durante la formación de estrellas jóvenes.

«Nuestros resultados brindan información sobre la etapa temprana de la química oscura de la formación de hielo en los granos de polvo interestelar que se convertirán en rocas de un centímetro a partir de las cuales los planetas se convertirán en discos», dijo Melissa McClure, astrónoma del Observatorio de Leiden en los Países Bajos, quien es el investigador principal del programa de observación y autor principal del artículo que describe este resultado. «Estas observaciones abren una nueva ventana a las vías de formación de las moléculas simples y complejas necesarias para fabricar los componentes básicos de la vida».

Una versión comentada de la imagen de arriba. Las dos estrellas de fondo utilizadas en este estudio, NIR38 y J110621, se indican en la imagen blanca. Crédito: NASA, ESA, CSA y M. Zamani (ESA/Webb); Ciencia: F. Sun (Observatorio Steward), Z. Smith (Universidad Abierta) y el equipo ERS de la Era del Hielo

Además de las moléculas identificadas, el equipo encontró evidencia de moléculas más complejas que el metanol, y aunque no atribuyeron definitivamente estas señales a moléculas específicas, esto prueba por primera vez que las moléculas complejas se forman en las profundidades heladas de las nubes moleculares. antes de que nazcan las estrellas.

«Nuestra identificación de moléculas orgánicas complejas como el metanol y potencialmente el etanol también sugiere que los muchos sistemas estelares y planetarios que se desarrollan en esta nube en particular heredarán moléculas en un estado químico muy avanzado», agregó Will Rocha, astrónomo del Observatorio de Leiden. que contribuyeron a este descubrimiento. «Esto podría significar que la presencia de precursores de moléculas prebióticas en los sistemas planetarios es un resultado común de la formación de estrellas, en lugar de una característica única de nuestro propio sistema solar».

Al detectar sulfuro de carbonilo en el hielo que contiene azufre, los investigadores pudieron estimar por primera vez la cantidad de azufre incorporada en los granos de polvo preestelares helados. Aunque la cantidad medida es mayor que la observada anteriormente, sigue siendo menor que la cantidad total esperada en esta nube, en función de su densidad. Esto también es cierto para los otros elementos de CHONS. Uno de los principales desafíos para los astrónomos es comprender dónde se esconden estos elementos: en el hielo, en materiales similares al hollín o en las rocas. La cantidad de CHONS en cada tipo de material determina cuánto de esos elementos terminan en[{» attribute=»»>exoplanet atmospheres and how much in their interiors.

“The fact that we haven’t seen all of the CHONS that we expect may indicate that they are locked up in more rocky or sooty materials that we cannot measure,” explained McClure. “This could allow a greater diversity in the bulk composition of terrestrial planets.

Astronomers have taken an inventory of the most deeply embedded ices in a cold molecular cloud to date. They used light from a background star, named NIR38, to illuminate the dark cloud called Chamaeleon I. Ices within the cloud absorbed certain wavelengths of infrared light, leaving spectral fingerprints called absorption lines. These lines indicate which substances are present within the molecular cloud.
These graphs show spectral data from three of the James Webb Space Telescope’s instruments. In addition to simple ices like water, the science team was able to identify frozen forms of a wide range of molecules, from carbon dioxide, ammonia, and methane, to the simplest complex organic molecule, methanol.
In addition to the identified molecules, the team found evidence for molecules more complex than methanol (indicated in the lower-right panel). Although they didn’t definitively attribute these signals to specific molecules, this proves for the first time that complex molecules form in the icy depths of molecular clouds before stars are born.
The upper panels and lower-left panel all show the background star’s brightness versus wavelength. A lower brightness indicates absorption by ices and other materials in the molecular cloud. The lower-right panel displays the optical depth, which is essentially a logarithmic measure of how much light from the background star gets absorbed by the ices in the cloud. It is used to highlight weaker spectral features of less abundant varieties of ice.
Credit: Illustration: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI), Science: Klaus Pontoppidan (STScI), Nicolas M. Crouzet (LEI), Zak Smith (The Open University), Melissa McClure (Leiden Observatory)

Chemical characterization of the ices was accomplished by studying how starlight from beyond the molecular cloud was absorbed by icy molecules within the cloud at specific infrared wavelengths visible to Webb. This process leaves behind chemical fingerprints known as absorption lines which can be compared with laboratory data to identify which ices are present in the molecular cloud. In this study, the team targeted ices buried in a particularly cold, dense, and difficult-to-investigate region of the Chamaeleon I molecular cloud, a region roughly 500 light-years from Earth that is currently in the process of forming dozens of young stars.

“We simply couldn’t have observed these ices without Webb,” elaborated Klaus Pontoppidan, Webb project scientist at the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, who was involved in this research. “The ices show up as dips against a continuum of background starlight. In regions that are this cold and dense, much of the light from the background star is blocked, and Webb’s exquisite sensitivity was necessary to detect the starlight and therefore identify the ices in the molecular cloud.”

Esta encuesta es parte de proyecto de la edad de hielo, uno de los 13 programas de ciencias de liberación anticipada de Webb. Estas observaciones están diseñadas para mostrar las capacidades de observación de Webb y permitir que la comunidad astronómica aprenda a sacar el máximo partido de sus instrumentos. El equipo de Ice Age ya ha planeado más observaciones y espera rastrear el viaje de los hielos desde su formación hasta la formación de cometas helados.

«Esta es solo la primera de una serie de instantáneas espectrales que tomaremos para ver cómo evolucionan los hielos desde su síntesis inicial hasta las regiones de formación de cometas de los discos protoplanetarios», concluyó McClure. «Esto nos dirá qué mezcla de hielo, y por lo tanto qué elementos, podría eventualmente llegar a las superficies de los exoplanetas terrestres o incorporarse a las atmósferas de los planetas gigantes de gas o hielo».

Estos resultados fueron publicados en la edición del 23 de enero de Astronomía de la Naturaleza.

Los grados

1. Una nube molecular es una gran nube interestelar de gas y polvo en la que se pueden formar moléculas como el hidrógeno y el monóxido de carbono. Los cúmulos densos y fríos en nubes moleculares con densidades más altas que sus alrededores podrían ser sitios de formación de estrellas si estos cúmulos colapsan para formar protoestrellas.

Referencia: “A JWST Ice Age Inventory of Dense Molecular Cloud Ices” por MK McClure, WRM Rocha, KM Pontoppidan, N. Crouzet, LEU Chu, E. Dartois, T. Lamberts, JA Noble, YJ Pendleton, G. Perotti, D Qasim, MG Rachid, ZL Smith, Fengwu Sun, Tracy L. Beck, ACA Boogert, WA Brown, P. Caselli, SB Charnley, Herma M. Cuppen, H. Dickinson, MN Drozdovskaya, E. Egami, J. Erkal, H Fraser, RT Garrod, D. Harsono, S. Ioppolo, I. Jiménez-Serra, M. Jin, JK Jørgensen, LE Kristensen, DC Lis, MRS McCoustra, Brett A. McGuire, GJ Melnick, Karin I. Öberg, ME Palumbo, T. Shimonishi, JA Sturm, EF van Dishoeck y H. Linnartz, 23 de enero de 2023, Astronomía de la Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41550-022-01875-w

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencia espacial del mundo. Webb resolverá misterios en nuestro sistema solar, mirará más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas e investigará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.