Fullstendig deuterert metanol funnet i verdensrommet for første gang

Derfor er denne metanolen tung

Metanol, CH₃OH, er den enkleste alkoholen: et karbonatom med tre hydrogenatomer, bundet til et oksygenatom som bærer det fjerde. Deuterium er hydrogen med et nøytron i kjernen i tillegg til protonet. Det veier dobbelt så mye, men danner de samme molekylene. Varianter av et molekyl som bare skiller seg fra hverandre i hvilke isotoper de inneholder, kalles isotopologer.

Fire delvis deutererte former av metanol var kjent fra før, med ett, to eller tre deuteriumatomer (et enkelt deuteriumatom kan sitte enten på karbonet eller på oksygenet). Tidligere undersøkelser hadde bare funnet usikre spor av den fullstendig deutererte formen. Nå melder en forskergruppe ledet av Arnaud Belloche ved Max Planck-instituttet for radioastronomi at CD₃OD er sikkert påvist. Det er også det første molekylet i det interstellare rommet som er funnet med fire deuteriumatomer.

Det overraskende er mengden. I Melkeveien går det bare omtrent 1,6 deuteriumatomer på 100 000 hydrogenatomer. Hvis deuteriumet var spredt tilfeldig, ville det vært færre enn ett fullstendig deuterert molekyl per 10¹⁹ molekyler vanlig metanol – et ettall med 19 nuller. Rundt IRAS 4A2 målte gruppen omtrent fire CD₃OD-molekyler per 10 000 vanlige metanolmolekyler.

Slik kjenner ALMA igjen molekyler ingen kan se

I varm gass roterer molekylene, men bare med visse faste hastigheter. Hver gang et molekyl går over til en langsommere rotasjon, sender det ut en radiobølge med én helt bestemt frekvens. Tyngre atomer endrer måten molekylet roterer på, så hver isotopolog har sitt eget sett av frekvenser – et fingeravtrykk som først må måles i laboratoriet. For CD₃OD ble disse målingene publisert i 2023.

Observasjonene ble gjort i COMPASS, et stort ALMA-program som undersøkte elleve unge, sollignende protostjerner – stjerner som fortsatt er i ferd med å dannes – ved frekvenser fra 279,0 til 311,7 GHz (bølgelengder på rundt én millimeter). ALMA kan se detaljer innenfor omtrent 100 astronomiske enheter fra hver protostjerne (100 ganger avstanden mellom Jorda og Sola), et område på størrelse med et planetsystem. I spekteret fra IRAS 4A2 var ti linjer fra CD₃OD sterke og overlappet ikke nevneverdig med linjer fra andre molekyler. Derfor regnes påvisningen som sikker.

Hos sju av de elleve protostjernene fant en annen COMPASS-studie en metanollinje ved 302,9 GHz som forsterkes av gassen selv, slik lyset forsterkes i en laser. En slik kilde kalles en maser. Seks av de sju er i det tidligste stadiet, kalt klasse 0; i den sjuende blir maseren trolig drevet av gass som strømmer ut fra en nabo med større masse.

Hva kjemien forteller om planeter og kometer

Metanol dannes i islaget på støvkorn: i det kalde stadiet før protostjernen er dannet, fester hydrogenatomer seg ett og ett til frossent karbonmonoksid. Ved så lave temperaturer gir den ekstra massen deuteriumet en fordel i enkelte reaksjoner, slik at molekylene får langt mer deuterium enn andelen i verdensrommet ellers skulle tilsi. Hvor mye deuterium metanolen inneholder, forteller derfor hvordan isen ble dannet. Når den unge stjernen varmer opp omgivelsene, går isen over til gass – rundt IRAS 4A2 har gassen en temperatur på omtrent 200 kelvin (−73 °C) – og da kan ALMA måle den.

Modellene for denne kjemien kommer til kort: for formene med to eller tre deuteriumatomer forutsier de mengder som er ti til hundre ganger lavere enn de observerte, og for CD₃OD er avviket enda større. Forfatterne antyder at modellene mangler noe vesentlig.

Kometene knytter denne kjemien til vårt eget solsystem. ALMA har også observert et annet ungt system, IRAS 16293-2422. Da disse dataene ble sammenlignet med målingene romsonden Rosetta gjorde ved komet 67P/Tsjurjumov-Gerasimenko, viste det seg at de relative mengdene av mange molekyler stemte overens: Molekyler som fantes i store mengder i det unge systemet, fantes som regel også i store mengder i kometen, men med en viss spredning. Det tyder på at noe av isen i kometer og andre byggesteiner for planeter er arvet fra det stadiet IRAS 4A2 er i nå.

Hvor den står på himmelen, og hva du kan se

IRAS 4A2 ligger i sørkanten av NGC 1333, en ung stjernehop i Perseus som er omgitt av en refleksjonståke: støv som lyses opp av stjerner i nærheten. Posisjonen er rektascensjon 3 h 29 min og deklinasjon +31° 14′, og avstanden er omtrent 950 lysår (290 parsec). I midten av november står hopen rett overfor Sola på himmelen og er høyest midt på natten; fra desember til februar ligger den godt til på kveldshimmelen. Sør for omtrent 59° sørlig bredde kommer den aldri over horisonten, og fra 35° sørlig bredde når den bare rundt 24° over horisonten i nord.

Selve protostjernen er usynlig i amatørteleskoper, fordi den ligger skjult i gassen og støvet den dannes av; metanolen kan bare spores i spektre i millimeterbølgeområdet. Det ser ikke ut til at noen har publisert en pålitelig verdi for den visuelle lysstyrken til tåken rundt.