Vatten är avgörande för livet, men hur gör man vatten? Att laga lite H2O tar mer än att blanda väte och syre. Det kräver de speciella förhållanden som finns djupt inne i kalla molekylära moln, där damm skyddar mot destruktivt ultraviolett ljus och hjälper kemiska reaktioner. NASA:s James Webb rymdteleskop kommer att kika in i dessa kosmiska reservoarer för att få ny inblick i ursprung och utveckling av vatten och andra viktiga byggstenar för beboeliga planeter.

Ett molekylärt moln är ett interstellärt moln av damm, gas, och en mängd olika molekyler som sträcker sig från molekylärt väte (H2) till komplex, kolhaltiga organiska ämnen. Molekylära moln rymmer det mesta av vattnet i universum, och fungera som plantskolor för nyfödda stjärnor och deras planeter.

Inom dessa moln, på ytorna av små dammkorn, väteatomer länkar till syre för att bilda vatten. Kol förenas med väte för att göra metan. Kvävebindningar med väte för att skapa ammoniak. Alla dessa molekyler fastnar på ytan av dammfläckar, ackumulerar isiga lager under miljontals år. Resultatet är en omfattande samling "snöflingor" som sopas upp av spädbarnsplaneter, leverera material som behövs för livet som vi känner det. "Om vi ​​kan förstå den kemiska komplexiteten hos dessa isar i det molekylära molnet, och hur de utvecklas under bildandet av en stjärna och dess planeter, då kan vi bedöma om livets byggstenar ska finnas i varje stjärnsystem, "säger Melissa McClure från Universiteit van Amsterdam, huvudutredaren på ett forskningsprojekt för att undersöka kosmiska isar.

För att förstå dessa processer, ett av Webbs direktörs projekt för diskretionär tidig frisläppande forskning kommer att undersöka en närliggande stjärnbildande region för att avgöra vilka isar som finns där. "Vi planerar att använda en mängd olika Webbs instrumentlägen och funktioner, inte bara för att undersöka den här regionen, men också för att lära sig hur man bäst studerar kosmiska isar med Webb, "sa Klaus Pontoppidan från Space Telescope Science Institute (STScI), en utredare om McClures projekt. Detta projekt kommer att dra fördel av Webbs högupplösta spektrografer för att få de mest känsliga och exakta observationerna vid våglängder som specifikt mäter is. Webbs spektrografer, NIRSpec och MIRI, kommer att ge upp till fem gånger bättre precision än alla tidigare rymdteleskop vid nära och mellan infraröda våglängder.

Spädbarnsstjärnor och kometvaggar

Laget, ledd av McClure och medförfattare Adwin Boogert (University of Hawaii) och Harold Linnartz (Universiteit Leiden), planerar att rikta in sig på Chamaeleon -komplexet, ett stjärnbildande område som syns på södra himlen. Den ligger cirka 500 ljusår från jorden och innehåller flera hundra protostjärnor, varav de äldsta är cirka 1 miljon år gamla. "Denna region har lite av allt vi letar efter, sa Pontoppidan.

Teamet kommer att använda Webbs känsliga infraröda detektorer för att observera stjärnor bakom det molekylära molnet. Som ljus från de svaga, bakgrundsstjärnor passerar genom molnet, isar i molnet kommer att absorbera en del av ljuset. Genom att observera många bakgrundsstjärnor spridda över himlen, astronomer kan kartlägga isar inom molnets hela vida och hitta var olika is bildas. De kommer också att rikta in sig på enskilda protostjärnor i själva molnet för att lära sig hur ultraviolett ljus från dessa spirande stjärnor främjar skapandet av mer komplexa molekyler.

Astronomer kommer också att undersöka födelseplatser för planeter, roterande gas- och dammskivor som kallas protoplanetära diskar som omger nybildade stjärnor. De kommer att kunna mäta mängder och relativa mängder is så nära 5 miljarder mil från spädbarnsstjärnan, som handlar om Plutos omloppsavstånd i vårt solsystem.

"Kometer har beskrivits som dammiga snöbollar. Åtminstone en del av vattnet i jordens hav har troligen levererats av kometerna tidigt i vårt solsystems historia. Vi kommer att titta på de platser där kometer bildas runt andra stjärnor, "förklarade Pontoppidan.

Laboratorieexperiment

För att förstå Webbs observationer, forskare kommer att behöva utföra experiment på jorden. Webbs spektrografer kommer att sprida inkommande infrarött ljus till ett regnbågespektrum. Olika molekyler absorberar ljus vid vissa våglängder, eller färger, vilket resulterar i mörka spektraler. Laboratorier kan mäta en mängd olika ämnen för att skapa en databas med molekylära "fingeravtryck". När astronomer ser dessa fingeravtryck i ett spektrum från Webb, de kan sedan identifiera molekylen eller familjen av molekyler som skapade absorptionslinjerna.

"Laboratoriestudier hjälper till att ta itu med två nyckelfrågor. Den första är vilka molekyler som finns. Men lika viktigt, vi ska titta på hur isarna kom dit. Hur bildades de? Det vi hittar med Webb hjälper till att informera våra modeller och låter oss förstå mekanismerna för isbildning vid mycket låga temperaturer, "förklarade Karin Öberg från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, en utredare om projektet.

"Det kommer att ta år att helt utvinna data som kommer från Webb, "Tillade Öberg.

James Webb rymdteleskop kommer att bli världens främsta infraröda rymdobservatorium under det kommande decenniet. Webb kommer att hjälpa mänskligheten att lösa mysterierna i vårt solsystem, titta bortom avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget för vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt projekt som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och CSA (Canadian Space Agency).