JWST zacznie od poszukiwania wody w przestrzeni międzygwiezdnej

Niebieskie światło emitowane przez nowo narodzoną gwiazdę rozświetla mgławicę refleksyjną IC 2631. Źródło: ESO

Woda jest kluczowa dla życia, ale jak zrobić wodę? Do stworzenia H2O nie wystarczy tylko wymieszanie wodoru z tlenem. Aby powstała woda potrzeba odpowiednich warunków, które istnieją głęboko we wnętrzu chłodnych obłoków molekularnych, w których pył chroni wodę przed niszczącym promieniowaniem ultrafioletowym i wspomaga reakcje chemiczne. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba  będzie zaglądał w te kosmiczne rezerwuary poszukując nowych informacji o powstawaniu i ewolucji wody i inny kluczowych składnikach planet sprzyjających powstawaniu życia.

Obłok molekularny do międzygwiezdny obłok pyłu gazu i różnych związków chemicznych począwszy od wodoru cząsteczkowego (h2) po złożone związki organiczne zawierające węgiel. W obłokach molekularnych skrywa się większość wody we Wszechświecie, a same obłoki są  swego rodzaju żłobkami dla nowonarodzonych gwiazd i ich planet.

Wewnątrz tych obłoków, na powierzchni drobnych ziaren pyłu, atomy wodoru łączą się z tlenem tworząc wodę. Węgiel łączy się z wodorem tworząc metan. Azot łączy się z wodorem tworząc amoniak. Wszystkie te związki chemiczne przyklejają się do powierzchni drobin pyłu, akumulując lodowe warstwy na przestrzeni milionów lat. Skutkiem tych procesów jest zbiór “płatków śniegu”, które zabierane są przez młode planety, które zbierają materiał do tworzenia życia takiego jakie znamy. “Gdy będziemy rozumieli chemiczną złożoność tych lodów w obłoku molekularnym i zrozumiemy jak one ewoluują w trakcie powstawania gwiazdy i jej planet możemy dowiedzieć się, czy kluczowe składniki życia powinny istnieć w każdym układzie planetarnym” mówi Melissa McClure z Universitait van Amsterdam, główna badaczka projektu badania tych kosmicznych lodów.

W celu zrozumienia tych procesów jeden z pierwszych projektów realizowanych na JWST będzie badał pobliski obszar gwiazdotwórczy, katalogując znajdujące się w nim lody. “Planujemy wykorzystać paletę instrumentów Webba nie tylko do zbadania tego jednego regionu, ale także sprawdzenia w jaki sposób najlepiej badać te kosmiczne lody za pomocą Webba” mówi Klaus Pontoppidan z STScI.  W ramach tego projektu badacze wykorzystają spektrografy wysokiej rozdzielczości zainstalowane na JWST do wykonania najbardziej precyzyjnych obserwacji na długościach fali, które pozwalają na pomiary obfitości lodu. NIRSpec oraz MIRI, spektrografy Webba zagwarantują pięciokrotnie wyższą precyzję od jakichkolwiek wcześniejszych teleskopów kosmicznych obserwujących w bliskiej i średniej podczerwieni.

Zespół badawczy kierowany przez McClure oraz Adwina Boogerta i Harolda Linnartza planuje skupić się na kompleksie Kameleona, obszarze gwiazdotwórczym południowego nieba oddalonym od nas o 500 lat świetlnych i zawierającym kilkaset protogwiazd, z których najstarsze mają około 1 miliona lat. “Akurat ten obszar  ma po trochu wszystkiego czego poszukujemy” mówi Pontoppidan.

Naukowcy wykorzystają czułe detektory podczerwieni Webba do obserwowania gwiazd znajdujących się za obłokiem molekularnym.  Gdy światło z tych słabych gwiazd tła przechodzi przez obłok, wypełniające go lody będą pochłaniały część ich promieniowania. Obserwując wiele gwiazd tła rozsianych po niebie, astronomowie mogą stworzyć mapę lodów wewnątrz obłoku i dowiedzieć się gdzie które z nich powstają. Naukowcy zamierzają także zbadać pojedyncze protogwiazdy w obłoku, aby dowiedzieć się jak promieniowanie ultrafioletowe z tych gwiazd pobudza powstawanie złożonych cząsteczek.

Astronomowie zbadają także miejsca narodzin planet, rotujące dyski gazu i pyłu, tzw. dyski protoplanetarne, otaczające wiele nowo powstałych gwiazd. Będą w stanie zmierzyć ilość i względne obfitości lodów już 7 miliardów kilometrów od gwiazd centralnych.

Symulowane widmo z teleskopu Webba przedstawia rodzaje związków, jakie Webb będzie w stanie dostrzec w obszarach gwiazdotwórczych takich jak Mgławica Orzeł (w tle). Źródło: NASA, ESA, Hubble Heritage team, McClure, A. Boogert

Aby zrozumieć wyniki obserwacji prowadzonych za pomocą Webba, naukowcy bdą musieli przeprowadzić eksperymenty na Ziemi. Spektrografy Webba będą rozszczepiały obserwowane promieniowanie podczerwone na widmo. Różne cząsteczki pochłaniają promieniowanie na określonych długościach fali, powodując powstawanie ciemnych linii widmowych. Laboratoria mogą mierzyć różne substancje, aby stworzyć bazę danych swoistych odcisków pozostawianych na widmie przez różne związki chemiczne. Gdy astronomowie ujrzą takie same odciski w widmie przesłanym z Webba, będą mogli zidentyfikować cząsteczkę lub rodzinę cząsteczek odpowiedzialnych za poszczególne linie absorpcyjne.

“Badania laboratoryjne pozwolą nam odpowiedzieć na dwa pytania. 1. Jakie związki obecne są w obłokach molekularnych. 2. Jak owe lody dostały się tak. W jaki sposób powstały.  To co odkryjemy za pomocą Webba pozwoli nam usprawnić nasze modele i pozwoli nam zrozumieć mechanizmy formowania się lodu w bardzo niskich temperaturach” mówi Karin Oberg z CfA na Harvardzie.

“Dane zebrane za pomocą Webba będą dostarczały nam informacji przez wiele lat” dodaje Oberg.

Źródło: NASA