Ett internationellt samarbete mellan forskare som använder Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) har slutfört den mest omfattande kartläggningen av kemisk sammansättning av de protoplanetära skivorna runt fem närliggande unga stjärnor med hög upplösning, producera bilder som fångar den molekylära sammansättningen i samband med planetära födslar, och en färdplan för framtida studier av sammansättningen av planet- och kometbildande regioner. Den nya studien avslöjar ledtrådar om molekylers roll i planetsystembildning, och om dessa unga planetsystem i vardande har vad som krävs för att vara värd för liv. Resultatet av programmet, lämpligen kallad MAPS, eller molekyler med ALMA på planetbildande skalor, kommer att dyka upp i en kommande 20-pappers specialutgåva av Astrophysical Journal Supplement serier.

Planeter bildas i skivorna av damm och gas som kallas protoplanetära skivor som omger unga stjärnor. Den kemiska sammansättningen av dessa skivor kan ha en inverkan på planeterna själva, inklusive hur och var planetbildning sker, planeternas kemiska sammansättning, och om dessa planeter har den organiska sammansättningen som krävs för att stödja liv. MAPS tittade specifikt på de protoplanetära skivorna som omger de unga stjärnorna IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296, och MWC 480, där bevis på pågående planetbildning redan har upptäckts. Projektet ledde till flera spännande upptäckter, inklusive en koppling mellan damm och kemiska understrukturer och förekomsten av stora reservoarer av organiska molekyler i stjärnornas inre skivområden.

"Med ALMA kunde vi se hur molekyler är fördelade där exoplaneter för närvarande samlas, sa Karin Öberg, en astronom vid Centrum för Astrofysik | Harvard &Smithsonian (CfA) och huvudutredaren för MAPS. "En av de riktigt spännande sakerna vi såg är att de planetbildande skivorna runt dessa fem unga stjärnor är fabriker av en speciell klass av organiska molekyler, så kallade nitriler, som är inblandade i livets ursprung här på jorden."

Enkla organiska molekyler som HCN, C2H, och H2CO observerades under hela projektet i oöverträffad detalj, tack vare känsligheten och upplösningsförmågan hos ALMAs Band 3- och Band 6-mottagare. "Särskilt, vi kunde observera mängden små organiska molekyler i diskarnas inre regioner, där steniga planeter sannolikt samlas, " sa Viviana V. Guzmán, en astronom vid Pontificia Universidad Católica de Chiles Instituto de Astrofísica, huvudförfattare på MAPS VI och en MAPS medförfattare. "Vi upptäcker att vårt eget solsystem inte är speciellt unikt, och att andra planetsystem runt andra stjärnor har tillräckligt med de grundläggande ingredienserna för att bilda livets byggstenar."

Forskare observerade också mer komplexa organiska molekyler som HC3N, CH3CN, och c-C3H2—särskilt de som innehåller kol, och kommer därför med största sannolikhet att fungera som råvara för större, prebiotiska molekyler. Även om dessa molekyler har upptäckts i protoplanetära skivor tidigare, MAPS är den första systematiska studien över flera diskar med mycket hög rumslig upplösning och känslighet, och den första studien som hittade molekylerna i liten skala och i så betydande mängder. "Vi hittade fler av de stora organiska molekylerna än förväntat, en faktor på 10 till 100 mer, ligger i de inre skivorna på solsystemets skalor, och deras kemi verkar likna solsystemets kometer, sa John Ilee, en astronom vid University of Leeds och huvudförfattare till MAPS IX. "Närvaron av dessa stora organiska molekyler är betydande eftersom de är språngbrädorna mellan enklare kolbaserade molekyler som kolmonoxid, som finns i överflöd i rymden, och de mer komplexa molekylerna som krävs för att skapa och upprätthålla liv."

Molekyler är inte jämnt fördelade över planetbildande skivor, dock, som framgår av MAPS III och IV, som avslöjade att medan de allmänna skivkompositionerna verkar likna solsystemet, att zooma in med hög upplösning avslöjar en viss mångfald i sammansättning som kan resultera i skillnader från planet till planet. "Molekylär gas i protoplanetära skivor finns ofta i uppsättningar av distinkta ringar och luckor, sade Charles Law, CfA-astronom och huvudförfattare på MAPS III och IV. "Men samma skiva som observeras i olika molekylära emissionslinjer ser ofta helt olika ut, där varje skiva har flera molekylära ytor. Detta betyder också att planeter på olika skivor eller till och med i samma skiva på olika platser kan bildas i radikalt olika kemiska miljöer." Detta betyder att vissa planeter bildas med de nödvändiga verktygen för att bygga och upprätthålla liv medan andra närliggande planeter inte kan göra det.

En av dessa radikalt olika miljöer förekommer i rymden som omger Jupiterliknande planeter, där forskare fann att gasen var fattig på kol, syre, och tyngre element, medan den är rik på kolväten, såsom metan. "Kemin som ses i protoplanetära skivor borde ärvas genom att bilda planeter, sade Arthur Bosman, en astronom vid University of Michigan och huvudförfattare till MAPS VII. "Våra fynd tyder på att många gasjättar kan bildas med extremt syrefattiga (kolrika) atmosfärer, utmanar nuvarande förväntningar på planetkompositioner."

Sammantaget, MAPS tillhandahåller exakt det:en karta för forskare att följa, koppla ihop prickarna mellan gasen och dammet i en protoplanetarisk skiva och planeterna som så småningom bildas av dem för att skapa ett planetsystem. "En planets sammansättning är en registrering av platsen på skivan där den bildades, ", sade Bosman. "Att koppla samman planet och skiva sammansättning gör det möjligt för oss att titta in i historien om en planet och hjälper oss att förstå krafterna som bildade den."

Joe Pesce, astronom och ALMA-programansvarig vid National Science Foundation (NSF) säger, "Om liv existerar bortom jorden är en av mänsklighetens grundläggande frågor. Vi vet nu att planeter finns överallt, och nästa steg är att avgöra om de har de förutsättningar som krävs för livet som vi känner det (och hur vanlig den situationen kan vara). MAPS-programmet kommer att hjälpa oss att bättre svara på dessa frågor. ALMA:s sökande efter prekursorer till liv långt från jorden kompletterar studier gjorda i laboratorier, och på platser som hydrotermiska ventiler på jorden."

Öberg säger:"MAPS är kulmen på årtionden av arbete med kemin hos planetbildande skivor av forskare som använder ALMA och dess föregångare. Även om MAPS har undersökt bara fem skivor vid denna tidpunkt, vi hade ingen aning om hur kemiskt komplexa och visuellt fantastiska dessa skivor verkligen var förrän nu. MAPS har först svarat på frågor som vi inte kunde föreställa oss att ställa för decennier sedan, och gav oss också många fler frågor att besvara."