Fjärilsnebulosan, även känd som Twin Jet Nebula, är ett exempel på en så kallad bipolär planetarisk nebulosa. Syftet med denna studie, K4-47, är mycket mindre känt, men kan vara liknande till utseendet. Har inget med planeter att göra, en planetarisk nebulosa är en glödande, ofta färgglada, skal av gas och damm fälls ut i rymden av en döende stjärna i hög hastighet. Kredit:ESA/Hubble &NASA/Judy Schmidt
Allt omkring dig – ditt skrivbord, din bärbara dator, din kaffekopp – faktiskt, även du – är gjord av stjärndamm, sakerna smidda i de brinnande ugnarna av stjärnor som dog innan vår sol föddes. Undersöka utrymmet som omger ett mystiskt stjärnlik, forskare vid University of Arizona har gjort en upptäckt som kan hjälpa till att lösa ett långvarigt mysterium:Var kommer stjärndamm ifrån?
När stjärnor dör, de fröer kosmos runt dem med elementen som fortsätter att smälta samman till nya stjärnor, planeter, asteroider och kometer. Det mesta som utgör jorden, till och med livet självt, består av element gjorda av tidigare stjärnor, inklusive kisel, kol, kväve och syre. Men detta är inte hela historien. Meteoriter innehåller vanligtvis spår av en typ av stjärndamm som, tills nu, antogs endast bildas i exceptionellt våldsamma, explosiva händelser av stjärndöd, kända som novaer eller supernovor – alltför sällsynt för att redogöra för det överflöd som bevaras i meteoriter.
Forskare vid UA använde radioteleskop i Arizona och Spanien för att observera gasmoln i den unga planetariska nebulosan K4-47, ett gåtfullt föremål cirka 15, 000 ljusår från jorden. Klassad som en nebulosa, K4-47 är en stjärnrest, som astronomer tror skapades när en stjärna inte olikt vår sol fällde en del av sitt material i ett skal av utströmmande gas innan han slutade sitt liv som en vit dvärg.
Till deras förvåning, forskarna fann att några av grundämnena som utgör nebulosan - kol, kväve och syre – är starkt berikade med vissa varianter som matchar de mängder som ses i vissa meteoritpartiklar men är annars sällsynta i vårt solsystem:så kallade tunga isotoper av kol, kväve och syre, eller 13 C, 15 N och 17 O, respektive. Dessa isotoper skiljer sig från sina vanligare former genom att de innehåller en extra neutron inuti kärnan.
Att smälta en extra neutron till en atomkärna kräver extrema temperaturer över 200 miljoner grader Fahrenheit, ledande forskare att dra slutsatsen att dessa isotoper endast kunde bildas i novaer – våldsamma energiutbrott i åldrande binära stjärnsystem – och supernovor, där en stjärna blåser isär sig själv i en katastrofal explosion.
"Modellerna som endast åberopar novaer och supernovor kunde aldrig stå för mängden 15 N och 17 O vi observerar i meteoritprover, sa Lucy Ziurys, senior författare av tidningen, som publiceras i numret av tidskriften den 20 december Natur . "Det faktum att vi hittar dessa isotoper i K4-47 säger oss att vi inte behöver konstiga exotiska stjärnor för att förklara deras ursprung. Det visar sig att dina genomsnittliga trädgårdsstjärnor också kan producera dem."
I stället för katastrofala explosiva händelser som skapar tunga isotoper, teamet föreslår att de kan produceras när en medelstor stjärna som vår sol blir instabil mot slutet av sin livstid och genomgår en så kallad heliumblixt, där superhett helium från stjärnans kärna stansar genom det överliggande vätehöljet.
"Denna process, under vilken materialet måste spys ut och kylas snabbt, producerar 13 C, 15 N och 17 O, " förklarade Ziurys, en professor med dubbla uppdrag i UA:s Steward Observatory och Institutionen för kemi och biokemi. "En heliumblixt sliter inte isär stjärnan som en supernova gör. Det är mer som ett stjärnutbrott."
Vid 15, 000 ljusår, Objekt K4-47 är ungefär sju gånger längre bort än Twin Jet-nebulosan, gör det mycket svårare att avbilda. Baserat på vad forskare har lärt sig om K4-47 hittills, den kan ha en liknande struktur av två lober som sträcker sig från den vita dvärgen i mitten. Kredit:Sloan Digital Sky Survey
Fynden har implikationer för identifieringen av stjärndamm och förståelsen av hur vanliga stjärnor skapar element som syre, kväve och kol, sa författarna.
Upptäckten möjliggjordes genom ett samarbete mellan discipliner som traditionellt sett har förblivit relativt separata:astronomi och kosmokemi. Teamet använde radioteleskop vid Arizona Radio Observatory och Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) för att observera rotationsspektra som sänds ut av molekylerna i K4-47-nebulosan, som avslöjar ledtrådar om deras massfördelning och deras identitet.
"När Lucy och jag började samarbeta i det här projektet, vi insåg att vi kunde förena vad vi hittade i meteoriter och vad vi observerar i rymden, " sa medförfattaren Tom Zega, docent i kosmokemi, planetmaterial och astrobiologi i UA:s Lunar and Planetary Laboratory.
Forskarna väntar ivrigt på upptäckterna som ligger framför NASA:s OSIRIS-REx asteroidprovåtervändande uppdrag, som leds av UA. För bara två veckor sedan, rymdfarkosten anlände till sin målasteroid, Bennu, från vilken den kommer att samla in ett prov av orördt material 2020. Ett av uppdragets stora mål är att förstå utvecklingen av Bennu och solsystemets ursprung.
"Du kan tänka på kornen vi hittar i meteoriter som stjärnaska, lämnade efter sig av stjärnor som länge hade dött när vårt solsystem bildades, ", sa Zega. "Vi förväntar oss att hitta de där kornen före solenergi på Bennu – de är en del av pusslet kring denna asteroids historia, och den här forskningen kommer att hjälpa till att definiera var materialet om Bennu kom ifrån."
"Vi kan nu spåra varifrån askan kom, " tillade Ziurys. "Det är som en arkeologi av stjärndamm."
"Studien av explosivt helium som brinner inuti stjärnor kommer att starta ett nytt kapitel i historien om de kemiska grundämnenas ursprung, " sa Neville "Nick" Woolf, Professor emeritus vid Steward Observatory och den fjärde medförfattaren.
Artikelns första författare är Deborah Schmidt, en doktorand vid Steward Observatory.
