• Grazie ai dati del James Webb sulla densa regione Chamaleon I, è stato fatto un vero e proprio censimento dei ghiacci più profondi e freddi misurati finora in una nube molecolare.
• I ricercatori sono riusciti a identificare forme congelate di un’ampia gamma di molecole, tra cui ammoniaca, metano e anche metanolo, la più semplice molecola organica complessa.
• Il risultato consente di esaminare quali molecole complesse saranno incorporate in futuri esopianeti, andando a costituire parte dei mattoni fondamentali per la vita.

Utilizzando il James Webb, gli scienziati hanno ottenuto un vero e proprio inventario dei ghiacci più profondi e freddi misurati in una nube molecolare fino a oggi. Il risultato si basa sui dati degli strumenti di Webb riguardanti la nube molecolare Chamaleon I. Si tratta di una regione particolarmente fredda e densa a 630 anni luce dalla Terra, in procinto di formare dozzine di giovani stelle.

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. Così facendo, ha ottenuto il censimento più completo fino a oggi degli ingredienti ghiacciati disponibili per creare le future generazioni di stelle e pianeti.

Questo risultato consente agli astronomi di esaminare le semplici molecole di ghiaccio che saranno incorporate nei futuri esopianeti, aprendo una nuova finestra sull’origine di molecole più complesse. Melissa McClure, astronoma dell’Osservatorio di Leida e autrice principale dell’articolo dedicato, ha affermato:

I nostri risultati forniscono informazioni sulla fase chimica oscura iniziale della formazione del ghiaccio sui granelli di polvere interstellare, che cresceranno nei ciottoli delle dimensioni di un centimetro da cui si formano i pianeti nei dischi. Queste osservazioni aprono una nuova finestra sui percorsi di formazione delle molecole semplici e complesse necessarie per costruire i mattoni della vita.

Dai ghiacci ai mattoni per la vita

I ghiacci sono un ingrediente fondamentale per rendere un pianeta abitabile. Infatti, sono la principale fonte di elementi chiave come carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo, noti come CHONS. Questi elementi chimici sono importanti sia nelle atmosfere planetarie che in molecole come zuccheri, alcoli e amminoacidi semplici.

Oltre alle molecole identificate, in Chamaleon I il team ha trovato prove di molecole più complesse del metanolo. Ciò dimostra per la prima volta che le molecole complesse si formano nelle gelide profondità delle nubi molecolari prima che nascano le stelle. Inoltre, la loro presenza suggerisce che i sistemi stellari e planetari che si sviluppano in questa particolare nube erediteranno molecole in uno stato chimico abbastanza avanzato.

Rilevando il solfuro di carbonile del 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 nube, in base alla sua densità.

Questo vale anche per gli altri elementi CHONS. Una sfida 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 di pianeti terrestri.”

La caratterizzazione dei ghiacci

Per caratterizzare chimicamente i ghiacci, gli scienziati hanno studiato come la luce stellare proveniente da oltre la nube molecolare viene assorbita dalle molecole di ghiaccio all’interno della nube a specifiche lunghezze d’onda infrarosse, visibili a Webb. Questo processo lascia impronte chimiche negli spettri elettromagnetici note come linee di assorbimento. Esse possono essere confrontate con i dati di laboratorio, per identificare quali ghiacci sono presenti nella nube molecolare.

I ricercatori hanno usato una stella di fondo, NIR38, per illuminare Chamaeleon I. Nelle linee di assorbimento degli spettri risultanti hanno potuto individuare quali sostanze sono presenti all’interno della nube molecolare.

Di seguito, i grafici che mostrano i dati spettrali di tre degli strumenti del James Webb. I pannelli superiori e quello in basso a sinistra mostrano tutti la luminosità della stella sullo sfondo rispetto alla lunghezza d’onda. Una luminosità inferiore indica l’assorbimento da parte di ghiacci e altri materiali nella nube molecolare. Il pannello in basso a destra mostra la profondità ottica, una misura logaritmica di quanta luce dalla stella sullo sfondo è assorbita dai ghiacci nella nuvola.

Il progetto Ice Age con Webb

La ricerca fa parte del progetto Ice Age, uno dei 13 programmi di Webb Early Release Science. 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.

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

Il team di Ice Age ha già pianificato ulteriori osservazioni. Spera di tracciare il viaggio dei ghiacci, dalla loro formazione fino all’assemblaggio delle comete ghiacciate. Questo porterà nuovi indizi su quale miscela di ghiacci può essere portata sulle superfici degli esopianeti terrestri, o incorporata nelle atmosfere di giganti gassosi.

L’abstract dello studio, pubblicato su Nature Astronomy, è reperibile qui.