Die Chemie der Planetenentstehung fasziniert Forscher seit Jahrzehnten, weil das chemische Reservoir in protoplanetaren Scheiben – der Staub und das Gas, aus denen Planeten entstehen – direkten Einfluss auf die Zusammensetzung und das Lebenspotential der Planeten hat.
Neue Forschungsergebnisse des Department of Astronomy der University of Michigan deuten darauf hin, dass die Chemie in der Planetenentwicklung im Spätstadium eher durch ultraviolette Strahlen als durch kosmische Strahlen oder Röntgenstrahlen angetrieben wird, und dieses neue Verständnis liefert eine chemische Signatur, die Forschern hilft, Exoplaneten auf ihre zurück zu verfolgen kosmische Kindergärten in den planetenbildenden Scheiben.
Jenny Calahan, Doktorandin in Astronomie und Erstautorin des Artikels, der in erscheint Naturastronomiesagte, die Entdeckung sei teils glücklicher Zufall gewesen, teils auf früheren Arbeiten aufgebaut.
„Es hat sich gezeigt, dass in den kältesten und dichtesten Teilen der Scheiben, die Planeten bilden, helle, komplexe organische Moleküle vorhanden sind“, sagte Calahan. „Diese helle Emission war rätselhaft, weil wir erwarten, dass diese Moleküle bei diesen Temperaturen ausgefroren sind und nicht im Gas, wo wir sie beobachten können.“
Diese Moleküle emittieren aus Regionen, die minus 400 Grad Fahrenheit haben, und es wird angenommen, dass sie bei diesen Temperaturen zu winzigen Feststoffen gefroren sind, die Astronomen als Staubkörner bezeichnen, oder für die späteren mm- bis cm-großen Feststoffe als Kieselsteine. Diese Moleküle sollten zu einer eisigen Beschichtung auf den Körnern beitragen, damit sie im Gas nicht beobachtet werden können.
Die planetenbildende Scheibe hat drei Hauptkomponenten, eine kieselreiche staubige Mittelebene, eine Gasatmosphäre und eine kleine Staubpopulation, die an das Gas gekoppelt ist. Während sich die planetenbildende Scheibe im Laufe der Zeit weiterentwickelt, beeinflusst die sich verändernde Umgebung die Chemie darin. Um die beobachtete Helligkeit zu berücksichtigen, passte Calahan ihr Modell an, um die Masse der kleinen Staubpopulation – die normalerweise UV-Photonen blockiert – zu verringern, damit mehr UV-Photonen tief in diese kältesten Regionen der Scheibe eindringen können. Dies reproduzierte die beobachtete Helligkeit.
„Wenn wir aufgrund der Entwicklung der kleinen Feststoffe in planetenbildenden Regionen eine kohlenstoffreiche Umgebung gepaart mit einer UV-reichen Umgebung haben, können wir komplexe organische Stoffe im Gas produzieren und diese Beobachtungen reproduzieren“, sagte sie.
Dies repräsentiert die Entwicklung von kleinem Staub im Laufe der Zeit.
Vor etwa 20 Jahren erkannten Forscher, dass die Chemie der gasförmigen Scheibe von einer Chemie bestimmt wird, die auf kürzeren Zeitskalen arbeitet und von Quellen wie kosmischer Strahlung und Röntgenstrahlen angetrieben wird, sagte Edwin Bergin, Hauptforscher, Professor und Lehrstuhl für Astronomie.
„Unsere neue Arbeit deutet darauf hin, dass das ultraviolette Strahlungsfeld, das von dem Stern erzeugt wird, der Materie aus der Scheibe akkretiert, wirklich wichtig ist“, sagte er. „Die ersten Schritte bei der Herstellung von Planeten, die Bildung immer größerer Festkörper, verlagern die Chemie von kosmischer Strahlung und Röntgenstrahlen früh zu UV-getrieben während der Phase, in der angenommen wird, dass Riesenplaneten geboren werden.“
„Jennys Arbeit sagt uns für terrestrische Welten, wenn Sie sich fragen, wie sie Dinge wie Wasser bekommen, der Schlüsselteil der Evolution sind die frühen Phasen vor dieser Verschiebung. Das ist, wenn die flüchtigen Moleküle, aus denen das Leben besteht – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff ––werden in Festkörper implantiert, die erdähnliche Welten bilden.Diese Planeten werden in dieser Phase nicht geboren, sondern die Zusammensetzung von Festkörpern wird festgelegt.Die späteren Stadien dieses Modells sagen uns, wie wir die Zusammensetzung des Materials bestimmen können, aus dem riesige Planeten entstehen. “
Mehr Informationen:
Jenny K. Calahan et al, UV-getriebene Chemie als Wegweiser der Planetenentstehung im Spätstadium, Naturastronomie (2022). DOI: 10.1038/s41550-022-01831-8