Całkowicie deuterowany metanol po raz pierwszy wykryty w kosmosie

Dlaczego ten metanol jest ciężki

Metanol (CH₃OH) to najprostszy alkohol. Atom węgla wiąże w nim trzy atomy wodoru i atom tlenu, a do tlenu przyłączony jest czwarty wodór. Deuter to wodór, który ma w jądrze oprócz protonu także neutron: jest dwa razy cięższy, ale tworzy te same cząsteczki. Odmiany cząsteczki różniące się wyłącznie izotopami nazywa się izotopologami.

Znano już cztery częściowo deuterowane odmiany metanolu, z jednym, dwoma lub trzema atomami deuteru (pojedynczy deuter może być przyłączony do węgla albo do tlenu). Wcześniejsze badania dostarczyły jedynie niepewnych oznak obecności odmiany całkowicie deuterowanej. Teraz zespół kierowany przez Arnauda Belloche’a z Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka opisuje pierwsze pewne wykrycie CD₃OD. To zarazem pierwsza cząsteczka z czterema atomami deuteru znaleziona w przestrzeni międzygwiazdowej.

Zaskoczeniem jest ilość CD₃OD. W naszej Galaktyce na 100 000 atomów wodoru przypada tylko około 1,6 atomu deuteru. Gdyby deuter był rozmieszczony losowo, na jedną cząsteczkę całkowicie deuterowaną przypadałoby ponad 10¹⁹ cząsteczek zwykłego metanolu. Tymczasem wokół IRAS 4A2 zespół zmierzył około czterech cząsteczek CD₃OD na każde 10 000 cząsteczek CH₃OH.

Jak ALMA rozpoznaje cząsteczkę, której nie widać

Cząsteczki w ciepłym gazie obracają się, ale tylko z pewnymi ściśle określonymi prędkościami. Za każdym razem, gdy cząsteczka zwalnia obrót do którejś z niższych dozwolonych prędkości, wysyła falę radiową o jednej, dokładnie określonej częstotliwości. Cięższe atomy zmieniają ruch obrotowy cząsteczki, dlatego każdy izotopolog ma własny zestaw częstotliwości, swoisty odcisk palca, który najpierw trzeba zmierzyć w laboratorium. Dla CD₃OD wyniki takich pomiarów opublikowano w 2023 roku.

Obserwacje wykonano w ramach COMPASS, dużego programu obserwacyjnego ALMA. Zbadano w nim 11 protogwiazd, czyli młodych gwiazd podobnych do Słońca, które wciąż powstają. Obserwacje objęły częstotliwości od 279,0 do 311,7 GHz (to fale o długości około milimetra). ALMA rozróżnia szczegóły w obszarze o promieniu około 100 jednostek astronomicznych wokół każdej protogwiazdy, czyli stukrotnej odległości Ziemi od Słońca. To obszar wielkości układu planetarnego. W widmie IRAS 4A2 dziesięć linii CD₃OD jest wyraźnych i nie nakłada się w istotnym stopniu na linie innych cząsteczek, dlatego identyfikacja jest pewna.

Drugie badanie z programu COMPASS wykazało, że w 7 z 11 protogwiazd gaz wzmacnia linię metanolu o częstotliwości 302,9 GHz, podobnie jak laser wzmacnia światło. Takie źródło nazywa się maserem. Sześć z tych siedmiu protogwiazd znajduje się na najwcześniejszym etapie rozwoju, nazywanym klasą 0. W siódmej maser jest prawdopodobnie pobudzany przez strumień materii wyrzucany z masywniejszej sąsiedniej protogwiazdy.

Dlaczego ta chemia ma znaczenie dla planet i komet

Metanol powstaje w lodowych otoczkach ziaren pyłu. W zimnej fazie, zanim uformuje się protogwiazda, do zamarzniętego tlenku węgla przyłączają się kolejno atomy wodoru. W tak niskiej temperaturze większa masa deuteru sprawia, że niektóre reakcje chętniej zachodzą z jego udziałem, przez co cząsteczki stają się znacznie bogatsze w deuter, niż wynikałoby z jego zawartości w kosmosie. Ilość deuteru w metanolu jest więc zapisem tego, jak powstawał lód. Gdy młoda gwiazda ogrzeje swoje otoczenie, lód zamienia się w gaz, którego promieniowanie może zarejestrować ALMA. Wokół IRAS 4A2 ten gaz ma temperaturę około 200 kelwinów (−73°C).

Modele tej chemii zawodzą. Dla odmian z dwoma lub trzema atomami deuteru przewidują ilości od dziesięciu do stu razy mniejsze od obserwowanych, a CD₃OD tę rozbieżność jeszcze pogłębia. Autorzy przypuszczają, że w modelach brakuje jakiegoś kluczowego elementu.

Komety stanowią pomost między tą chemią a naszym Układem Słonecznym. Gdy obserwacje ALMA innego młodego układu, IRAS 16293-2422, zestawiono z pomiarami sondy Rosetta przy komecie 67P/Czuriumow-Gierasimienko, okazało się, że względne ilości wielu cząsteczek w obu obiektach są skorelowane, choć z pewnym rozrzutem. Wskazuje to, że część lodu w kometach i innych ciałach, z których powstają planety, pochodzi jeszcze z etapu rozwoju, na którym znajduje się dziś IRAS 4A2.

Gdzie patrzeć i co można zobaczyć

IRAS 4A2 leży po południowej stronie NGC 1333, młodej gromady gwiazd w gwiazdozbiorze Perseusza. Gromadę otacza mgławica refleksyjna, czyli pył oświetlony przez pobliskie gwiazdy. Współrzędne IRAS 4A2 to rektascensja 3h 29m i deklinacja +31° 14′, a odległość wynosi około 950 lat świetlnych (290 parseków). W połowie listopada gromada znajduje się po przeciwnej stronie nieba niż Słońce i góruje w środku nocy; od grudnia do lutego jest dogodnie położona na wieczornym niebie. Na południe od około 59° szerokości geograficznej południowej nigdy nie wschodzi, a na 35° szerokości południowej wznosi się najwyżej na około 24° nad północnym horyzontem.

Samej protogwiazdy przez amatorski teleskop nie zobaczysz: kryje się w gazie i pyle, z których powstaje, a jej metanol ujawniają dopiero widma w zakresie fal milimetrowych. Wygląda też na to, że nikt nie opublikował wiarygodnego pomiaru jasności wizualnej otaczającej ją mgławicy.