Związki węgla są podstawą życia, jakie znamy, i jako takie budzą wielkie zainteresowanie naukowców próbujących zrozumieć zarówno w jaki sposób powstało i rozwijało się życie na Ziemi, jak i jak potencjalnie mogłoby się rozwijać gdzie indziej w naszym Wszechświecie. Wśród astronomów jest wielu entuzjastów badań nad chemią organiczną (tzn. chemią związków węgla) ośrodka międzygwiazdowego.
Właśnie po raz pierwszy astronomowie zarejestrowali z pomocą Teleskopu Webba związek węgla zwany kationem metylowym (CH3+). Ta molekuła jest ważna, ponieważ sprzyja formowaniu się bardziej złożonych molekuł zawierających węgiel. Została odkryta w młodym układzie gwiazdowym z dyskiem protoplanetarym d203-506, który znajduje się w odległości 1350 lat świetlnych w Mgławicy Oriona.
Kation metylowy (CH3+) jest prosta molekułą, która posiada niezwykłą właściwość – łatwo wchodzi w reakcje chemiczne z innymi molekułami (z wyjątkiem wodoru, który jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie). Ta unikalna zdolność do inicjowania tworzenia bardziej skomplikowanych molekuł opartych na węglu sprawia, że kation metylowy jest głównym składnikiem chemii związków węgla. Związki chemiczne węgla niezmiernie interesują astronomów, ponieważ całe znane nam życie bazuje na węglu. Wykrycie CH3+ w części kosmosu, gdzie potencjalnie mogą powstać planety z warunkami sprzyjającymi powstaniu życia, jest potwierdzeniem bezprzykładnych możliwości Kosmicznego Teleskopu James Webba.
Związki węgla pełnią rolę swego rodzaju cegiełek do budowania życia, jakie znamy. Są niezbędne do zrozumienia ewolucji życia na Ziemi i do jego istnienia potencjalnie gdzie indziej we Wszechświecie. Astronomów szczególnie interesuje chemia organiczna ośrodka międzygwiazdowego, która bada procesy chemiczne występujące w środowiskach powstawania młodych gwiazd i planet. Jony molekularne zawierające węgiel odgrywają istotną rolę w tym obszarze, ponieważ łączą się one z innymi molekułami nawet w temperaturach tak niskich, jak te występujące w ośrodku międzygwiazdowym i tworzą złożone związki organiczne. Spośród jonów zawierających węgiel szczególnie ważny jest kation metylowy (CH3+), co wynika z analiz teoretycznych przeprowadzonych jeszcze w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych. Jednakże odkrycie tej molekuły nie było możliwe aż do teraz. Dopiero Teleskop Webba zaobserwował po raz pierwszy molekułę CH3+ i potwierdził jej kluczową rolę w chemii ośrodka międzygwiazdowego. Waga tego odkrycia została doceniona publikacją w prestiżowym czasopiśmie Nature.
Wykrycie molekuł CH3+ stanowiło wielkie wyzwanie ze względu na jej właściwości symetrii, które uniemożliwiają obserwacje za pomocą radioteleskopów (obserwacje radiowe bazują na występowaniu stałych asymetrii, czyli stałych momentów dipolowych w molekule). Teoretycznie linie widmowe CH3+ mogłyby być również zaobserwowane w podczerwieni, ale atmosfera ziemska praktycznie uniemożliwia ich obserwacje z powierzchni Ziemi. Dopiero Teleskop Webba z instrumentami NIRSpec i MIRI umożliwił jej wykrycie.
Kation metylowy (CH3+) został odkryty w układzie gwiazdowym z dyskiem protoplanetarnym, który znajduje się w odległości około 1350 lat świetlnych, w Mgławicy Oriona, w tzw. Poprzeczce Oriona (ang. Orion Bar – nie mylić z asteryzmem zwanym Pasem Oriona, ang. Orion’s Belt). Układ ten oznaczono jako d203-506. Mimo że gwiazda w układzie d203-506 jest małym, czerwonym karłem o masie 1/10 masy Słońca, to jednak na układ ten pada silne promieniowanie ultrafioletowe z gorących, młodych i masywnych gwiazd z pobliskiej Gromady Trapez znajdującej się tuż za górnym lewym narożnikiem poniższego zdjęcia. Astronomowie uważają, że większość dysków protoplanetarnych z formującymi się planetami przechodzi okres silnego promieniowania ultrafioletowego, ponieważ gwiazdy często powstają w grupach, które zawierają masywne gwiazdy emitujące silny ultrafiolet.
Zdjęcie fragmentu Mgławicy Oriona zwanego Poprzeczką Oriona (ang. Orion Bar – nie mylić z asteryzmem zwanym Pasem Oriona, ang. Orion’s Belt) wykonane przez Teleskop Webba z kamerą NIRCam (bliska podczerwień: od 1,4 μm/fiolet do 4,8 μm/czerwień). W obszarze tej „poprzeczki” następuje oddziaływanie gęstych obłoków molekularnych z ultrafioletowym promieniowaniem pochodzącym od młodych i gorących gwiazd masywnych z pobliskiej Gromady Trapez znajdującej się tuż za górnym lewym narożnikiem zdjęcia. Silne promieniowanie UV pochodzące od tych masywnych gwiazd powoli niszczy Poprzeczkę Oriona oraz ma istotny wpływ na molekuły i chemię dysków protoplanetarnych, które powstały wokół rodzących się gwiazd. Źródło: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), and the PDRs4All ERS Team
Dowody znalezione w meteorytach sugerują, że dysk protoplanetarny, który dał początek naszemu Układowi Słonecznemu, również był wystawiony na silne promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez gwiezdnego towarzysza Słońca, który już „rozpłynął się” w Drodze Mlecznej wraz z pozostałym rodzeństwem naszego Słońca. Stanowi to zagadkę, ponieważ przez długi czas uważano promieniowanie ultrafioletowe jako czynnik działający destrukcyjnie na powstawanie złożonych molekuł organicznych. Jednakże odkrycie molekuł CH3+ w układzie d203-506 może stanowić klucz do jej rozwikłania. Badacze wysnuli hipotezę, iż promieniowanie ultrafioletowe jest źródłem energii do tworzenia molekuł CH3+ i okres silnego napromieniowania ultrafioletem niektórych dysków protoplanetarnych wpływa na ich chemię. Na przykład obserwacje dysków protoplanetarnych, które nie były naświetlane silnym promieniowaniem ultrafioletowym, wykazują dużą obfitość wody, której nie odkryto w układzie d203-506.
Główny autor omawianej publikacji, Olivier Berné z Uniwersytetu w Tuluzie, sugeruje, że promieniowanie ultrafioletowe może odgrywać kluczową rolę we wczesnych etapach chemii powstawania życia, poprzez wspieranie produkcji jonów CH3+ – czynnik, który być może do tej pory był niedoszacowany.
Zdjęcie fragmentu Mgławicy Oriona zwanego Poprzeczką Oriona, wykonane przez Teleskop Webba z kamerą MIRI (średnia podczerwień: od 7,7 μm/niebieski do 25 μm/czerwień). W centrum znajduje się młody układ gwiazdowy oznaczony jako d203-506, który zawiera dysk protoplanetarny. Po raz pierwszy astronomowie wykorzystali Teleskop Webba, aby zarejestrować w tym dysku molekułę węglową znaną jako kation metylowy (CH3+). Molekuła ta jest ważna, ponieważ sprzyja powstawaniu bardziej złożonych molekuł opartych na węglu. Źródło: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), and the PDRs4All ERS Team
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa: Formation of the Methyl Cation by Photochemistry in a Protoplanetary Disk
Webb Makes First Detection of Crucial Carbon Molecule
Webb makes first detection of carbon molecule in a planet-forming disc
Źródło: ESA/Webb, NASA, CSA
