Spazio: il telescopio Webb svela il lato oscuro della chimica del ghiaccio pre-stellare

Annunciata la scoperta di diversi ghiacci nelle regioni più buie e fredde di una nube molecolare misurati fino ad oggi grazie al telescopio Webb

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Per costruire un pianeta abitabile, i ghiacci sono un ingrediente vitale in quanto sono i principali vettori di diversi elementi chiave della luce, vale a dire carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo (indicati collettivamente come CHONS). Questi elementi sono ingredienti importanti sia nelle atmosfere planetarie che in molecole come zuccheri, alcoli e amminoacidi semplici. Nel nostro Sistema Solare, si pensa che siano stati portati sulla superficie terrestre da impatti con comete ghiacciate o asteroidi. Inoltre, gli astronomi ritengono che molto probabilmente tali ghiacci fossero già presenti nella nube oscura di polvere fredda e gas che alla fine sarebbe collassata per formare il Sistema Solare. In queste regioni dello spazio, i granelli di polvere ghiacciata forniscono un ambiente unico per l’incontro di atomi e molecole, che possono innescare reazioni chimiche che formano sostanze molto comuni come l’acqua. Studi di laboratorio dettagliati hanno inoltre dimostrato che alcune semplici molecole prebiotiche possono formarsi in queste condizioni ghiacciate.  

Ora un inventario approfondito dei ghiacci più profondi e freddi misurati fino ad oggi in una nube molecolare è stato annunciato da un team internazionale di astronomi utilizzando il James Webb Space Telescope di NASA/ESA/CSA. Oltre a semplici ghiacci come l’acqua, il team è stato in grado di identificare forme congelate di un’ampia gamma di molecole, dal solfuro di carbonile, ammoniaca e metano, alla più semplice molecola organica complessa, il metanolo (nel mezzo interstellare, le molecole organiche sono considerate complesse quando hanno sei o più atomi). Questo è il censimento più completo fino ad oggi degli ingredienti ghiacciati disponibili per creare le future generazioni di stelle e pianeti, prima che vengano riscaldati durante la formazione di giovani stelle. Questi granelli ghiacciati crescono di dimensioni man mano che vengono incanalati nei dischi protoplanetari di gas e polvere attorno a queste giovani stelle, consentendo essenzialmente agli astronomi di studiare tutte le potenziali molecole ghiacciate che saranno incorporate nei futuri esopianeti.  

I nostri risultati forniscono informazioni sulla fase chimica oscura iniziale della formazione del ghiaccio sui granelli di polvere interstellare che cresceranno nei ciottoli di dimensioni centimetriche da cui si formano i pianeti nei dischi“, ha affermato Melissa McClure, astronoma dell’Osservatorio di Leiden, ricercatrice principale del programma di osservazione e autrice principale dello studio che descrive questo risultato. “Queste osservazioni aprono una nuova finestra sui percorsi di formazione delle molecole semplici e complesse necessarie per costruire i mattoni della vita”.  

Oltre alle molecole identificate, il team ha trovato prove di molecole prebiotiche più complesse del metanolo in questi ghiacci e, sebbene non abbiano attribuito definitivamente questi segnali a molecole specifiche, ciò dimostra per la prima volta che le molecole complesse si formano nelle gelide profondità delle nubi molecolari prima che nascano le stelle. 

nube molecolare Chameleon I
Credit: NASA, ESA, CSA, and J. Olmsted (STScI), M. K. McClure (Leiden Observatory), K. Pontoppidan (STScI), N. Crouzet (Leiden University), and Z. Smith (Open University)

“La nostra identificazione di molecole organiche complesse, come il metanolo e potenzialmente l’etanolo, suggerisce anche che i numerosi sistemi stellari e planetari che si sviluppano in questa particolare nube erediteranno molecole in uno stato chimico abbastanza avanzato”, ha aggiunto Will Rocha, astronomo dell’Osservatorio di Leida che ha contribuito a questa scoperta. “Questo potrebbe significare che la presenza di molecole prebiotiche nei sistemi planetari è un risultato comune della formazione stellare, piuttosto che una caratteristica unica del nostro Sistema Solare” 

Rilevando il solfuro di carbonile di ghiaccio contenente zolfo, i ricercatori sono stati in grado di stimare per la prima volta la quantità di zolfo incorporata nei granelli di polvere ghiacciata pre-stellare. Sebbene la quantità misurata sia maggiore di quanto osservato in precedenza, è ancora inferiore alla quantità totale che dovrebbe essere presente in questa nuvola, in base alla sua densità. Questo vale anche per gli altri elementi CHONS. Una sfida chiave per gli astronomi è capire dove si nascondono questi elementi: nei ghiacci, nei materiali simili alla fuliggine o nelle rocce. La quantità di CHONS in ogni tipo di materiale determina quanto di questi elementi finisce nelle atmosfere degli esopianeti e quanto nei loro interni.  

Il fatto che non abbiamo visto tutti i CHONS che ci aspettiamo potrebbe indicare che sono rinchiusi in materiali più rocciosi o fuligginosi che non possiamo misurare”, ha spiegato McClure. “Ciò potrebbe consentire una maggiore diversità nella composizione di massa dei pianeti terrestri”. 

I ghiacci sono stati rilevati e misurati studiando come la luce stellare proveniente da oltre la nube molecolare è stata assorbita da molecole di ghiaccio a specifiche lunghezze d’onda infrarosse visibili a Webb. Questo processo lascia impronte chimiche note come spettri di assorbimento che possono essere confrontati con i dati di laboratorio per identificare quali ghiacci sono presenti nella nube molecolare. In questo studio, il team ha preso di mira i ghiacci sepolti in una regione particolarmente fredda, densa e difficile da indagare della nube molecolare Chameleon I, una regione a circa 500 anni luce dalla Terra che è attualmente in fase di formazione di dozzine di giovani stelle.  

Semplicemente non avremmo potuto osservare questi ghiacci senza Webb”, ha spiegato Klaus Pontoppidan, scienziato del progetto Webb presso lo Space Telescope Science Institute, coinvolto in questa ricerca. “I ghiacci si presentano come avvallamenti contro un continuum di luce stellare sullo sfondo. Nelle regioni così fredde e dense, gran parte della luce proveniente dalla stella sullo sfondo è bloccata e la squisita sensibilità di Webb è stata necessaria per rilevare la luce stellare e quindi identificare i ghiacci nella nube molecolare”.  

Questa ricerca fa parte del progetto Ice Age, uno dei 13 programmi Early Release Science di Webb. Queste osservazioni sono progettate per mostrare le capacità di osservazione di Webb e consentire alla comunità astronomica di imparare come ottenere il meglio dai suoi strumenti. Il team di Ice Age ha già pianificato ulteriori osservazioni e spera di tracciare il viaggio dei ghiacci dalla loro formazione fino all’assemblaggio delle comete ghiacciate.  

Questa è solo la prima di una serie di istantanee spettrali che otterremo per vedere come i ghiacci si evolvono dalla loro sintesi iniziale alle regioni di formazione di comete dei dischi protoplanetari”, ha concluso McClure. “Questo ci dirà quale miscela di ghiacci – e quindi quali elementi – può eventualmente essere consegnata alle superfici degli esopianeti terrestri o incorporata nelle atmosfere di gas giganti o pianeti di ghiaccio”.