Vatten och kolbärande molekyler har upptäckts i en skiva av gas och damm som omger en ung stjärna av soltyp, belägen i en av de mest extrema miljöerna i vår galax. Sådana skivor är platser där planeter bildas runt nyfödda stjärnor. Ett astronomteam ledd av María C. Ramírez-Tannus vid Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland, och Arjan Bik från Stockholms universitet, använde JWST för att titta in i den inre regionen av skivan, där planeter liknande vår jord förväntas bildas: så kallade terrestra planeter med en tunn atmosfär som täcker en planet av sten.
Skivan, som astronomerna kallar XUE-1, utsätts för intensivt ultraviolett strålning från närliggande heta, massiva stjärnor. Även i denna hårda miljö upptäckte observationerna både vatten och enkla organiska molekyler. Som Ramírez-Tannus säger: ”Detta resultat är oväntat och spännande! Det visar att det finns gynnsamma förhållanden för att bilda jordliknande planeter och ingredienser för livet även i de tuffaste miljöerna i vår galax.”

Konstnärstolkning av det massiva stjärnbildande området, med den planetbildande skivan XUE1 i förgrunden. Regionen är dränkt i UV-ljus från massiva stjärnor, varav en syns i det övre vänstra hörnet. Strukturen nära skivan representerar molekyler och damm som forskarna hittat i de nya observationerna. Image credit: Maria Cristina Fortuna (www.mariacristinafortuna.com)

Oöverträffad detaljnivå av områden som bildar massiva stjärnor

De nya observationerna är de första i sitt slag. Tidigare detaljerade observationer av planetbildande skivor har varit begränsade till närliggande stjärnbildningsområden som inte innehåller massiva stjärnor. Massiva stjärnbildande områden är helt annorlunda: där bildas talrika stjärnor ungefär samtidigt, inklusive några av de sällsynta men extremt kraftfulla mycket massiva stjärnorna. Under ”den gyllene eran” av stjärnbildning i universum, för cirka 10 miljarder år sedan, ägde de flesta stjärnbildningar rum i sådana massiva kluster. Överlag föddes mer än hälften av alla stjärnor i vårt universum – inklusive vår egen sol – i massiva stjärnbildande områden, tillsammans med sina planeter. Ändå var inget känt om effekten av sådana hårda miljöer på de inre regionerna av skivor, där jordliknande planeter förväntas bildas.
Massiva stjärnor är nödvändigtvis mycket ljusa och avger stora mängder högenergetisk UV-strålning. Deras närvaro orsakar betydande störningar i deras närhet. Det var en öppen fråga om denna störning rutinmässigt skulle påverka bildningen av planeter som Jorden runt stjärnor liknande solen – vilket skulle försvåra bildandet av jordliknande planeter i sådana massiva kluster, inte omöjliga att bilda, men mycket sällsynta. Det fanns rimliga argument för att detta kunde vara fallet. Till exempel skingrar UV-strålningen från de massiva stjärnorna gasen i de yttre delarna av skivan, vilket hämmar tillväxten och den inåtriktade driften av dammpartiklar som är byggstenarna för jordliknande planeter (och även för kärnorna av jätteplaneter som Jupiter eller Saturnus). Detta kunde mycket väl göra bildandet av jordliknande planeter mindre sannolik.
Fram tills nu har observationer inte hjälpt till att besvara denna fråga. I dagens universum är massiva stjärnbildningsområden sällsynta, och även de närmaste är långt borta. Tills nyligen fanns det inget sätt att observera små skivor runt solliknande stjärnor i detalj. De få planetbildande skivorna som var tillräckligt nära för att observeras detaljerat är alla belägna i närliggande lugna miljöer, utan den intensiva UV-strålningen från massiva stjärnor, och därmed ingen nytta för att svara på frågan.

Utforskning av inre skivor med JWST

Detta förändrades med JWST. När teleskopet blev tillgängligt för vetenskapliga observationer, ansökte Ramírez-Tannus och samarbetet XUE (eXtreme UV environments) framgångsrikt om att observera NGC 6357.

Logotypen för XUE-samarbetet (förkortning för "eXtreme UV environments") visar Xué, solens gud i Muisca-kulturen. Muisca är ursprungsbefolkningen som bor i centrum av Ramírez-Tannus' hemland Colombia. Logotypen är baserad på klippkonst som hittats nära Bogotá. Image credit: XUE collaboration

På ett avstånd av 5500 ljusår från jorden är detta en av de närmaste massiva stjärnbildningsområdena. Det är också det mest lovande observationsmålet för att besvara frågan om inre skivor: NGC 6357 innehåller mer än tio ljusstarka högmassiva stjärnor, vilket säkerställer att några av de planetbildande skivor som är synliga i regionen har utsatts för intensiv UV-strålning under större delen av sin existens. Regionen innehåller olika skivor, varav vissa har utsatts för mer strålning och andra för mindre.

Om intensiv strålning hindrar förhållandena för planetbildning i de inre regionerna av protoplanetära skivor, är det NGC 6357 där vi bör se effekten

”Om intensiv strålning hindrar förhållandena för planetbildning i de inre regionerna av protoplanetära skivor, är det NGC 6357 där vi bör se effekten”, säger Arjan Bik från Stockholms universitet, med-PI (delad huvudman) för XUE-samarbetet och andreförfattare till artikeln. De observationer astronomerna utförde registrerar spektra: regnbågsliknande uppdelningar av ljus som möjliggör uppskattningar av närvaron av specifika molekyler i det observerade området. Till deras förvåning fann Ramírez-Tannus och hennes kollegor att när det gäller närvaron (och egenskaperna) hos viktiga molekyler är åtminstone en av de inre skivorna i NGC 6357 inte fundamentalt annorlunda än sina motsvarigheter i områden med mindre massiv stjärnbildning.

Silikater, vatten och andra molekyler i en ogästvänlig miljö.

”Vi fann ett överflöd av vatten, kolmonoxid, koldioxid, vätecyanid och acetylen i de innersta regionerna av XUE-1”, säger Ramírez-Tannus. ”Detta ger värdefulla ledtrådar om den troliga sammansättningen av den initiala atmosfären på de resulterande terrestra planeterna.” Forskarna fann också silikatdamm i liknande mängder som i områden med stjärnbildning med låg massa. Detta är första gången sådana molekyler har upptäckts under extrema förhållanden som dessa.
Observationerna är goda nyheter för jordliknande planeter och för liv i universum: Tydligen är de inre regionerna av protoplanetära skivor runt solliknande stjärnor som finns i några av de mest ogästvänliga stjärnbildningsmiljöerna lika kapabla att bilda jordliknande, steniga planeter som sina motsvarigheter med låg massa. De tillhandahåller till och med ett överflöd av vatten, en nödvändig ingrediens för liv som vi känner det. Från denna enda skiva är det är än så länge oklart om detta faktiskt översätts till att det föds en betydande mängd jordliknande planeter i sådana miljöer. XUE-samarbetet tar därför sina observationer steget längre och planerar använda  JWST för att undersöka 14 ytterligare liknande skivor på olika platser i NGC 6357, vilket kommer gå långt för att lösa denna viktiga fråga.
Resultaten som beskrivs här publiceras i M. C. Ramírez-Tannus, A. Bik et al., ”XUE. Molekylär inventering i den inre regionen av en extremt utsatt protoplanetär skiva” i Astrophysical Journal Letters.
Projektet leds av María Claudia Ramírez-Tannus från Max-Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland i samarbete med Arjan Bik (Stockholms universitet), Lars Cuijpers (Radboud University), Rens Waters (Radboud University och SRON) och ytterligare kollegor . Andra forskare vid Stockholms universitet är Jenny Frediani och Alexis Brandeker.

Översatt från engelska av Alexis Brandeker

Kontakt

Arjan Bik arjan.bik@astro.su.se

Läs hela artikeln