Complex Organic Molecules Discovered in Infant Star System


Σύνθετα οργανικά μόρια ανακαλύφθηκαν σε σμήνος πρωτοαστέρων, υπαινισσόμενα την καθολικότητα της προβιοτικής χημείας

Artist impression of the protoplanetary disk surrounding the young star MWC 480. ALMA has detected the complex organic molecule methyl cyanide in the outer reaches of the disk in the region where comets are believed to form. This is another indication that complex organic chemistry, and potentially the conditions necessary for life, is universal. Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Artist impression of the protoplanetary disk surrounding the young star MWC 480. ALMA has detected the complex organic molecule methyl cyanide in the outer reaches of the disk in the region where comets are believed to form. This is another indication that complex organic chemistry, and potentially the conditions necessary for life, is universal. Credit: B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

Για πρώτη φορά, αστρονόμοι ανίχνευσαν την παρουσία πολύπλοκων οργανικών μορίων, δομικών στοιχείων της ζωής, σε πρωτοπλανητικό δίσκο που περιβάλλει νεαρό άστρο, γεγονός που υποδηλώνει μια ακόμη φορά ότι οι συνθήκες κατά τις οποίες γεννήθηκαν η Γη και ο Ήλιος μας,  δεν είναι μοναδικές στο σύμπαν.

Η ανακάλυψη που έγινε με το Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), φανερώνει ότι ο πρωτοπλανητικός δίσκος που περιβάλλει τον ηλικίας ενός εκατομμυρίου ετών αστέρα MWC 480, βρίθει μεθυλκυανίδιου (methyl cyanide CH3CN) ενός σύνθετου μορίου με βάση τον άνθρακα. Αυτό, όπως και ο απλούστερος εξάδελφός του, το κυανούχο υδρογόνο (HCN) συνυπάρχουν στις κρύες εξωτερικές στοιβάδες του νεοσύστατου αστρικού δίσκου, σε μια περιοχή όπου οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι είναι ανάλογη της δικής μας Ζώνης του Κάιπερ  του βασιλείου των παγωμένων πλανητοειδών και κομητών πέρα από τον Ποσειδώνα.

Για τον κόσμο της επιστήμης, οι κομήτες αντιπροσωπεύουν αρχαία καταγραφή της πρώιμης χημείας του ηλιακού μας συστήματος από την περίοδο του σχηματισμού των πλανητών. Καθώς αυτοί εξελίσσονταν, πιστεύεται ότι κομήτες και αστεροειδείς από το εξώτερο ηλιακό σύστημα, έσπερναν στην νεαρή γή τους, νερό και οργανικά μόρια, βοηθώντας την ανάδυση του κατάλληλου περιβάλλοντος για την ανάπτυξη της ζωής.

nrao_logoNRAO / by Charles Blue / April 8, 2015

Complex Organic Molecules Discovered in Infant Star System: Hints that Prebiotic Chemistry Is Universal

For the first time, astronomers have detected the presence of complex organic molecules, the building blocks of life, in a protoplanetary disk surrounding a young star, suggesting once again that the conditions that spawned our Earth and Sun are not unique in the universe.

This discovery, made with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), reveals that the protoplanetary disk surrounding the million-year-old star MWC 480 is brimming with methyl cyanide (CH3CN), a complex carbon-based molecule. Both this molecule and its simpler cousin hydrogen cyanide (HCN) were found in the cold outer reaches of the star’s newly formed disk, in a region that astronomers believe is analogous to our own Kuiper Belt — the realm of icy planetesimals and comets beyond Neptune.

Scientists understand that comets retain a pristine record of the early chemistry of our solar system from the period of planet formation. As the planets evolved, it’s believed that comets and asteroids from the outer solar system seeded the young Earth with water and organic molecules, helping set the stage for life to eventually emerge.

“Studies of comets and asteroids show that the solar nebula that spawned our Sun and planets was rich in water and complex organic compounds,” noted Karin Öberg, an astronomer with the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Mass., and lead author on a paper published in the journal Nature. “We now have evidence that this same chemistry exists elsewhere in the universe, in regions that could form solar systems not unlike our own.” This is particularly intriguing, Öberg notes, since the molecules found in MWC 480 are also found in similar concentrations in our own solar system’s comets.

The star MWC 480, which is about twice the mass of the Sun, is located approximately 455 light-years away in the Taurus star-forming region. Its surrounding disk is in the very early stages of development – having recently coalesced out of a cold, dark nebula of dust and gas. Studies with ALMA and other telescopes have yet to detect any obvious signs of planet formation in it, though higher resolution observations may reveal structures similar to HL Tau, which is of a similar age.

Astronomers have known that cold, dark interstellar clouds are very efficient factories of complex organic molecules — including a group of molecules known as cyanides. Cyanides, and most especially methyl cyanide, are important because they contain carbon-nitrogen bonds, which are essential for the formation of amino acids, the foundation of proteins.

It has been unclear, however, if these same complex organic molecules commonly form and survive in the energetic environment of a newly forming solar system, where shocks and radiation can easily break chemical bonds.

With ALMA’s remarkable sensitivity, the astronomers now know that these molecules not only survive, but thrive.

Importantly, the molecules ALMA detected are much more abundant than would be found in interstellar clouds. According to the researchers, there’s enough methyl cyanide around MWC 480 to fill all of Earth’s oceans. This tells astronomers that protoplanetary disks are very efficient at forming complex organic molecules and that they are able to form them on a relatively fast timescale.

This rapid formation is essential to outpace the forces that would otherwise break the molecules apart. Also, these molecules were detected in a relatively serene part of the disk, roughly 4.5 to 15 billion kilometers from the central star. Though incredibly distant by our solar system’s standards, in MWC 480’s scaled-up dimensions, this would be squarely in the comet-forming zone.

As this solar system continues to evolve, astronomers speculate, it’s likely that the organic molecules safely locked away in comets and other icy bodies will be ferried to environments that would be more nurturing for life.

“From the study of exoplanets, we know our solar system isn’t unique in having rocky planets and an abundance of water,” concluded Öberg. “Now we know we’re not unique in organic chemistry. Once more, we have learned that we’re not special. From a life in the universe point of view, this is great news.”

ALMA is the world’s most sophisticated and powerful telescope of its kind. It is able to detect the faint millimeter wavelength radiation that is naturally emitted by molecules in space. For these most recent observations, the astronomers used only a portion of ALMA’s 66 antennas when the telescope was in its lower-resolution configuration. Further studies of this and other protoplanetary disks with ALMA’s full capabilities will reveal additional details about the chemical and structural evolution of stars and planets.

Please, visit NRAO to meet the original publication, more information & related articles

Συμπληρωματικές πληροφορίες

Ζώνη του Κάιπερ

Το εξώτερο ηλιακό σύστημα. Τα αντικείμενα της ζώνης του Κάιπερ απεικονίζονται με πράσινο χρώμα. Οι μονάδες είναι σε αστρονομικές μονάδες (wikipedia)

Το εξώτερο ηλιακό σύστημα. Τα αντικείμενα της ζώνης του Κάιπερ απεικονίζονται με πράσινο χρώμα. Οι μονάδες είναι σε αστρονομικές μονάδες (wikipedia)

Πώς όμως δημιουργείται ένα πλανητικό σύστημα;

από το άρθρο του κ. Αλέξη Δεληβοριά, Ψάχνοντας για βραχώδεις πλανήτες, στην ιστοσελίδα του Ευγενιδίου Ιδρύματος

Σύμφωνα με τις κρατούσες θεωρίες, τα άστρα γεννιούνται μέσα σε πυκνά μεσοαστρικά νέφη αερίων και σκόνης, τα οποία αρχίζουν να καταρρέουν εξαιτίας της ίδιας τους της βαρύτητας, σχηματίζοντας σταδιακά έναν πεπλατυσμένο και περιστρεφόμενο δίσκο ύλης, στο κέντρο του οποίου θα σχηματιστεί το νέο άστρο. Αυτός ο πρωτοπλανητικός δίσκος, όπως ονομάζεται, περιβάλλεται από έναν τεράστιο όγκο μικροσκοπικών σωματιδίων γραφίτη και ενώσεων πυριτίου, καλυμμένων από ένα παγωμένο στρώμα νερού ή διοξειδίου του άνθρακα.
Η βαρυτική έλξη, που ασκεί η συσσωρευμένη ύλη του κεντρικού δίσκου εξαναγκάζει τα σωματίδια που τον περιβάλλουν να πέφτουν σαν βροχή προς το επίπεδό του, όπου και αρχίζουν να συσσωρεύονται και να κολλούν μεταξύ τους, αρχικά με ηλεκτροστατικές και, όταν αυξηθεί λίγο η μάζα τους, με βαρυτικές δυνάμεις, αυξάνοντας σταδιακά το μέγεθός τους από αυτό της σχεδόν αόρατης σκόνης στο μέγεθος ενός χαλικιού, μιας πέτρας, ενός βράχου. Καθώς αυτά τα κομμάτια ύλης συνεχίζουν να περιστρέφονται γύρω από το νεογέννητο άστρο, οι περίπλοκες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μέσα στο πρωτοπλανητικό δίσκο τα εξωθούν σε μια ανισομερή και ακανόνιστη κατανομή, συσσωρεύοντας τα περισσότερα από αυτά σε συγκεκριμένες τροχιές γύρω από το άστρο, οι οποίες διαχωρίζονται μεταξύ τους από σχεδόν κενά μεσοδιαστήματα.
Μέσα σε κάθε τέτοια τροχιά οι συγκρούσεις μεταξύ των επιμέρους κομματιών ύλης συνεχίζονται, σχηματίζοντας όλο και μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ύλης, που σταδιακά φτάνουν σε μέγεθος αρκετών χιλιομέτρων, τα επονομαζόμενα πλανητοειδή. Οι συγκρούσεις μεταξύ των πλανητοειδών είναι πιο βίαιες: κάποια από αυτά διαλύονται, κάποια άλλα όμως επιβιώνουν από τις συγκρούσεις και συνεχίζουν να αυξάνουν τη μάζα και το μέγεθός τους, σχηματίζοντας πρωτοπλανήτες και εντέλει πλανήτες. Κάπως έτσι φαίνεται ότι σχηματίστηκε και το δικό μας Ηλιακό Σύστημα, πριν από περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Το παράξενο βέβαια είναι ότι τα πλανητικά συστήματα, τα οποία έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα δεν μοιάζουν και πολύ με το δικό μας, αφού σε αυτά οι πλανήτες-γίγαντες φαίνεται ότι βρίσκονται σε πολύ μικρότερες τροχιές απ’ ό,τι ο Δίας ή ο Ουρανός. Για παράδειγμα, ο πρώτος πλανήτης που βρέθηκε να περιφέρεται γύρω από ένα άστρο σαν τον Ήλιο στον αστερισμό του Πήγασου βρίσκεται σε τροχιά πολύ μικρότερη από αυτή στην οποία βρίσκεται ο Ερμής, παρόλο που ο πλανήτης έχει μάζα 150 φορές μεγαλύτερη από αυτή της Γης! Στα χρόνια που ακολούθησαν ανακαλύφθηκαν και άλλοι τέτοιοι πλανήτες, πραγματικοί γίγαντες, τόσο κοντά στο άστρο τους που δικαίως οι αστρονόμοι τους ονόμασαν συλλογικά καυτούς Δίες.  ALMA_SCross

Εξερευνήστε τις εγκαταστάσεις του ραδιοτηλεσκοπίου Atacama Large Millimeter Array / Explore ALMA