En ammoniakksti til eksoplaneter

En ammoniakksti til eksoplaneter

Tidsstempel: 7. november 2023, kl
Kilde node: 2371776
07. nov 2023 (Nanowerk Nyheter) De avslører opprinnelsen til vin, alderen til bein og fossiler, og de fungerer som diagnostiske verktøy innen medisin. Isotoper og isotopologer – molekyler som bare er forskjellige i sammensetningen av isotoper – spiller også en stadig viktigere rolle i astronomi. For eksempel forholdet mellom karbon-12 (12C) til karbon-13 (13C) isotoper i atmosfæren til en eksoplanet lar forskere utlede avstanden som eksoplaneten går i bane rundt sin sentrale stjerne.

Nøkkelfunksjoner

  • Forskere har oppdaget ammoniakkisotopologer i atmosfæren til en brun dverg, noe som gir ny innsikt i planetarisk formasjon.
  • James Webb-romteleskopets midt-infrarøde instrument var avgjørende for å identifisere ammoniakk-isotopologene 14NH3 og 15NH3.
  • Forholdet mellom disse isotopologene tilbyr et nytt diagnostisk verktøy for å studere mekanismene bak dannelsen av gassgiganter og eksoplaneter.
  • WISE J1828s lave 15NH3-innhold antyder at den kan ha dannet seg gjennom en annen prosess enn den kjernefysiske akkresjonen som er sett i vårt solsystem.
  • Funnene peker på at gravitasjonskollaps spiller en betydelig rolle i dannelsen av gassgiganter, spesielt de med store baner rundt stjernene.
    • Kunstnerisk inntrykk av brun dverg WISE J1828 Kunstnerisk inntrykk av brun dverg WISE J1828, en av de kaldeste gassgigantene vi kjenner utenfor solsystemet vårt. Atmosfæren domineres av absorpsjon fra vann, metan og ammoniakkdamp. (Bilde: ETH Zürich / Polychronis Patapis)

    Forskningen

    Inntil nå, 12C og 13C bundet i karbonmonoksid var de eneste isotopologene som kunne måles i atmosfæren til en eksoplanet. Nå har et team av forskere lykkes med å oppdage ammoniakkisotopologer i atmosfæren til en kald brun dverg. Som laget nettopp har rapportert i journalen Natur ("Deteksjon av ammoniakk-isotopologen 15NH3 i atmosfæren til en kjølig brun dverg"), kunne ammoniakk måles i form av 14NH3 og 15NH3. Astrofysikere Polychronis Patapis og Adrian Glauser, som er medlemmer av Institutt for fysikk så vel som av National Center of Competence in Research (NCCR) PlanetS, var involvert i studien – Patapis som en av de første forfatterne.

    På jakt etter ammoniakk

    Brune dverger er et sted mellom stjerner og planeter: de ligner gigantiske gassplaneter på mange måter, og det er derfor de kan brukes som et modellsystem for å studere gassgiganter. I sitt arbeid observerte Patapis og kollegene en brun dverg, kalt WISE J1828, som er 32.5 lysår unna Jorden; på nattehimmelen ligger den i stjernebildet Lyra, lyren. WISE J1828 kan ikke sees med det blotte øye: med en effektiv temperatur (det vil si temperaturen til et svartlegeme som ville avgi samme mengde energi som det observerte objektet) på bare 100 °C, er det altfor kaldt for hydrogenfusjon å finne sted og sende lys helt til jorden. For å få øye på denne ultrakalde dvergstjernen i Y-spektralklassen, ble speilene til James Webb Space Telescope (JWST) snudd i retning lyren i fjor sommer. Mid-InfraRed Instrument (MIRI), en infrarød detektor installert om bord på JWST, gjorde det mulig å avsløre ammoniakkisotopologene på WISE J1828. I bølgelengdeområdet mellom 4.9 og 27.9 µm, registrerte Medium Resolution Spectrometer (MRS) til MIRI et spektrum av den brune dvergen der forskerne i tillegg til ammoniakk observerte vann- og metanmolekyler, hver med karakteristiske absorpsjonsbånd. Spesielt forårsaker ammoniakk en dempning av signalet som kommer til detektoren i bølgelengdeområdet mellom 9 og 13 µm. Isotopologene til ammoniakk kan også løses spektroskopisk: hvis ammoniakkmolekyler ikke består av den vanligste nitrogenisotopen 14N, som er bundet til tre hydrogenatomer, men av 15N pluss tre hydrogenatomer, det ekstra nøytronet i nitrogenkjernen sørger for at det er en knekk i spekteret som kan forklares med tilstedeværelsen av 15NH3.

    En ny diagnostikk for eksoplaneter

    Forholdet mellom de to isotopologene av ammoniakk målt i atmosfæren til WISE J1828 er spesielt spennende: som Patapis og kolleger forklarer, 14NH3-Til-15NH3 ratio er et sporstoff, det vil si en indikator som kan brukes i fremtiden for å studere stjerne- og planetdannelse. Det er et nytt verktøy som vil bidra til å teste forskjellige, kjente formasjonsmekanismer for gassgiganter. Gassgiganter som Jupiter eller Saturn er ikke spesielle for vårt solsystem. Disse kroppene spiller en viktig rolle i studiet av eksoplaneter: de dukker opp tidlig under dannelsen av stjerner og er dermed en avgjørende faktor som bestemmer om og hvordan mindre, lettere planeter utvikler seg. Til nå har det ikke vært noe fasitsvar på spørsmålet om hvordan massive gassgiganter dannes. Eksperter har utviklet forskjellige teorier, men det er uklart om disse planetene dannes ved kjernefysisk akkresjon – som de fleste andre planeter – eller som et resultat av gravitasjonskollaps i den protoplanetariske skiven rundt stamstjernen. Isotopologforholdet registrert av Patapis og medarbeidere kan gi nye ledetråder. På jorden er det 272 14N atomer for hver 15N-atom. Avisen melder at 14NH3-Til-15NH3 forholdet målt i atmosfæren til WISE J1828 er 670, noe som betyr at den brune dvergen har akkumulert mindre nitrogen-15 i løpet av sin dannelse sammenlignet med jorda og andre planeter som Jupiter. Faktisk overflod av 15N er knappere på WISE J1828 enn det er på alle himmellegemer i vårt solsystem.

    Ulike scenarier for planetdannelse

    Prosessene med såkalt isotopfraksjonering, det vil si endringen i isotopoverflod, er ikke fullt ut forstått, men kometpåvirkninger antas å bidra til en anrikning av nitrogen-15 fordi kometer har en betydelig høyere 15N innhold. Kometnedslag antas også å være en grunnleggende planetarisk byggestein i solsystemet: kometer bidro til dannelsen av jordens atmosfære, selv om det ikke er helt klart i hvilken grad. En lav 15NH3 innholdet i spekteret til WISE J1828 antyder at den brune dvergen ikke fulgte den vanlige måten for planetdannelse – nemlig kjernefysisk akkresjon – men dannet stjernelignende i stedet, et scenario som peker på gravitasjonskollaps. Denne typen gravitasjonsustabilitet vil derfor sannsynligvis spille en viktig rolle i dannelsen av gassgiganter, spesielt de som beveger seg rundt stjernen deres i store baner. Dette er faktisk et annet viktig poeng som diskuteres i papiret: 14NH3-Til-15NH3 forholdet ser ut til å variere sterkt avhengig av avstanden mellom en gasskjempe og dens stjerne, som vist ved simuleringer av en dannet planet mellom ammoniakk- og molekylær nitrogenis-linjene. I astronomi indikerer islinjer minimumsavstandene fra den sentrale stjernen der temperaturen er lav nok til at en bestemt flyktig kjemisk forbindelse kan endres til en fast form. Ifølge Patapis og kolleger har observasjonen av en økt 14NH3-Til-15NH3 forholdet kan indikere planetarisk akkresjon av is mellom ammoniakk- og nitrogenislinjene. Astronomer har nettopp fått et ekstra verktøy for å studere direkte observerbare eksoplaneter. Ammoniakksporet ble bare håndgripelig takket være JWST, og bekreftet nok en gang den enorme verdien og enestående ytelsen til dette romteleskopet.

    Tidstempel:

    Mer fra Nanowerk