Det høytflygende SOFIA-teleskopet kaster lys over hvor noen av de grunnleggende byggesteinene for livet kan ha sin opprinnelse fra. En fersk studie publisert på The Astrophysical Journal: Letters ledet av astronomer fra University of Hawaii, inkludert samarbeidspartnere fra University of California Davis, Johns-Hopkins University, North Carolina Museum of Natural Sciences, Appalachian State University, og flere internasjonale partnere (inkludert finansiering fra NASA), så på en langvarig mysterium i planetdannelse: den kjemiske veien til elementet svovel, og dets implikasjoner og rolle i dannelsen av planeter og liv.
Nummer16 på det periodiske systemet er svovel det tiende vanligste elementet i universet. Ikke bare er svovel et sporstoff som er involvert i dannelsen av støvkorn rundt unge stjerner som fører til planeter, det antas også å være en nødvendig byggestein for livet. Å se på fordelingen av svovel i universet kan også gi oss innsikt i historien om hvordan det primitive livet begynte her på jorden.
For studien så forskere på det som er kjent som unge stjernestykkeobjekter (YSOs). Dette er unge stjerner på et tidspunkt før de begynner å smelte sammen hydrogen, og er innebygd i en molekylær sky rik på støv og gass. Det spesifikke objektet som ble målrettet i studien var MonR2 IRS3, en kollapsende protostar i Monoceros R2-stjernedannende region. Ligger i stjernebildet Monoceros the Unicorn, (noen ganger også kjent som Narwhal), MonR2 IRS3 er en av mange YSO-er i regionen, et depot av protoplanetært støv og gass som omgir en kollapsende kjerne.
Etter YSO-stadiet har gassen enten blitt en del av stjernen, dens planetariske system, eller blåst bort. Stjernen begynner deretter å smelte sammen hydrogen til helium, så vel som tyngre elementer sett i mer massive stjerner. Unge stjernelige gjenstander som MonR2 IRS3 er således perfekte laboratorier for å undersøke den mystiske kjemien som er involvert i dannelsen av planeter og molekyler som trengs for livet.
For studien brukte teamet SOFIA - NASAs Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy - et konverterte Boeing 747SP-fly med et 2,5-meter infrarødt teleskop montert bak en skyvedør og siktet vinkelrett mot flyets akse. Høytflygende SOFIA er ideell for en slik studie, ettersom den kan komme langt over hoveddelen av jordens atmosfæriske vanndamp, noe som hindrer infrarød astronomi.
Teamet brukte den høye oppløsningen Echelon-Cross-Echelle Spectrograph (“EXES”) montert på SOFIA-teleskopet. Mon2 IRS3 hadde tidligere blitt observert for en studie på karbonmonoksid (CO) ved bruk av NIRSPEC-instrumentet på det store, bakkebaserte Keck II-teleskopet, og disse observasjonene bidro til å informere SOFIA-undersøkelsen av svoveldioksid (SO)2), et molekyl som antas å være et depot for svovelen i protoplanetære systemer. Sirius, den lyseste stjernen på himmelen, ble også observert for å kalibrere dataene. Observasjonene fra EXES tillot observatører å måle den spektrale linjebredden til SO2 i det stjernedannende området for første gang, samt få innsikt i overflod av dette molekylet som et svovelreservoar. For eksempel smale linjer fra varm SO2 gass antyder sublimering av is via varme fra den dannende kjernen, mens brede linjer indikerer sjokk som sputter svovel fra små korn. Denne studien fant en nedre grense for SO2 overflod, og bestemte at is som sublimerte fra MonR2 IRS3 hot core kan være kilden til SO2 gass.
Etter svovel
Observasjoner av svovelprosessen i en YSO er spennende. For første gang observerte teamet dannelsen av SO2 (svoveldioksid) i en varm kjerne, som viser at denne formasjonsmåten er minst like effektiv som i sjokk. Videre kan denne prosessen være viktig i lavere masse (dvs. mer beslektet med solsystemet vårt da det dannet ~ 4,57 milliarder år siden) YSO-er, som fremtidige observasjoner kan bidra til å bekrefte.
Fremtidig arbeid kan også bidra til å etablere den relative viktigheten av andre primitive svovelreservoarer. Ser man på hydrogensulfid i YSO-er - antatt å være den viktigste svovel-bidragsyteren i det primitive solsystemet - viser at enkel strålevarme og milde støt er minst like effektive i dannelse og distribusjon av svovel, som man tidligere trodde fra sputrende, sterke støt . Dette viser også en sterk forbindelse mellom reservoarer av svovel sett i vårt eget solsystem i Comet 67 / P Churyumov-Gerasimenko, som ble utforsket av Det europeiske romfartsorganets Rosetta-oppdrag fra 2014 til 2016.
"Disse observasjonene tatt med SOFIA-teleskopet er nøkkelen til å låse opp noen av hemmelighetene til protoplanetære molekylmagasiner," fortalte Dr. Rachel Smith (North Carolina Museum of Natural Sciences / Appalachian State University) Space Magazine. "Gjennom slike forbindelser mellom forskjellige datasett for et enkelt objekt, kan vi etter hvert bygge et omfattende bilde av utviklingen av planeter og molekylene som trengs for livet."
Hva er det neste for nye observasjoner? For å bekrefte hypotesen for SO2 reservoar, det er behov for oppfølgingsobservasjoner av svovelholdige is fra kommende oppdrag som James Webb romteleskopet ble lansert i 2021, og kanskje bruker på igjen, av igjen WFIRST oppdrag (Wide Field Infrared Space Telescope) som ble nullet ut i NASA FY 2020-budsjettforslaget.
Med lanseringen av nye teleskoper og forbedringer av eksisterende, kan de komme inn i 'gullalderen for infrarød astronomi' i den kommende dekaden, slik at astronomer kan spore elementer tilbake til sine primordialorigins.
