ALMA -teleskopet i Chile har förändrat hur vi ser universum, visar oss annars osynliga delar av kosmos. Denna mängd otroligt exakta antenner studerar en jämförelsevis högfrekvent skiva av radioljus:vågor som sträcker sig från några tiondelar till en millimeter i längd. Nyligen, forskare pressade ALMA till sina gränser, utnyttja gruppens högsta frekvens (kortaste våglängd) kapacitet, som tittar in i en del av det elektromagnetiska spektrumet som sträcker sig över gränsen mellan infrarött ljus och radiovågor.

"Högfrekventa radioobservationer som dessa är normalt inte möjliga från marken, "sa Brett McGuire, en kemist vid National Radio Astronomy Observatory i Charlottesville, Virginia, och huvudförfattare på ett papper som visas i Astrofysiska tidskriftsbrev . "De kräver den extrema precisionen och känsligheten hos ALMA, tillsammans med några av de torraste och mest stabila atmosfäriska förhållanden som finns på jorden. "

Under idealiska atmosfäriska förhållanden, som inträffade på kvällen den 5 april 2018, astronomer utbildade ALMAs högsta frekvens, submillimeter vision på ett märkligt område i Cat's Paw Nebula (även känd som NGC 6334I), ett stjärnbildande komplex beläget cirka 4, 300 ljusår från jorden i riktning mot den södra stjärnbilden Scorpius.

Tidigare ALMA -observationer av denna region vid lägre frekvenser avslöjade turbulenta stjärnbildningar, en mycket dynamisk miljö, och en mängd molekyler inuti nebulosan.

För att observera vid högre frekvenser, ALMA -antennerna är utformade för att rymma en serie "band" - numrerade 1 till 10 - som var och en studerar en viss del av spektrumet. Band 10 -mottagarna observerar vid den högsta frekvensen (kortaste våglängder) för något av ALMA -instrumenten, täcker våglängder från 0,3 till 0,4 millimeter (787 till 950 gigahertz), som också anses vara långvåglängd infrarött ljus.

Dessa första i sitt slag ALMA-observationer med Band 10 gav två spännande resultat.

Jets of Steam från Protostar

Ett av ALMA:s första Band 10 -resultat var också ett av de mest utmanande, direkt observation av strålar med vattenånga som strömmar bort från en av de massiva protostjärnorna i regionen. ALMA kunde upptäcka det submillimetervågljus som naturligt avges av tungt vatten (vattenmolekyler som består av syre, väte- och deuteriumatomer, som är väteatomer med en proton och en neutron i kärnan).

"I vanliga fall, vi skulle inte direkt kunna se den här signalen alls från marken, "sa Crystal Brogan, en astronom på NRAO och medförfattare på tidningen. "Jordens atmosfär, även på anmärkningsvärt torra platser, innehåller fortfarande tillräckligt med vattenånga för att helt överväldiga denna signal från någon kosmisk källa. Under exceptionellt orörda förhållanden i den höga Atacamaöknen, dock, ALMA kan faktiskt upptäcka den signalen. Detta är något inget annat teleskop på jorden kan uppnå. "

När stjärnor börjar bildas av massiva moln av damm och gas, materialet som omger stjärnan faller på massan i mitten. En del av detta material, dock, drivs bort från den växande protostjärnan som ett par jetplan, som bär bort gas och molekyler, inklusive vatten.

Det tunga vatten som forskarna observerade rinner bort från antingen en enda protostjärna eller ett litet kluster av protostjärnor. Dessa jets är orienterade annorlunda än vad som verkar vara mycket större och potentiellt mognare jetplan som kommer från samma region. Astronomerna spekulerar i att tungvattenstrålarna som ALMA ser är relativt nya funktioner som bara börjat röra sig ut i den omgivande nebulosan.

Dessa observationer visar också att i de regioner där detta vatten smäller in i den omgivande gasen, lågfrekventa vattenmasrar-naturligt förekommande mikrovågsversioner av lasrar-blossar upp. Masersna detekterades i kompletterande observationer av National Science Foundation's Very Large Array.

ALMA observerar molekyler i överflöd

Förutom att göra slående bilder av föremål i rymden, ALMA är också en extremt känslig kosmisk kemisk sensor. När molekyler tumlar och vibrerar i rymden, de avger naturligt ljus vid specifika våglängder, som framstår som spikar och dips på ett spektrum. Alla ALMAs mottagarband kan upptäcka dessa unika spektrala fingeravtryck, men de linjerna med de högsta frekvenserna ger unik inblick i lättare, viktiga kemikalier, som tungt vatten. De ger också möjlighet att se signaler från komplexa, varma molekyler, som har svagare spektrallinjer vid lägre frekvenser.

Med Band 10, forskarna kunde observera ett område i spektrumet som är utomordentligt rikt på molekylära fingeravtryck, inklusive glykoldehyd, den enklaste sockerrelaterade molekylen.

Jämfört med tidigare bäst-i-världen-observationer av samma källa med European Space Agency's Herschel Space Observatory, ALMA -observationerna detekterade mer än tio gånger så många spektrallinjer.

"Vi upptäckte en mängd komplexa organiska molekyler som omger denna massiva stjärnbildande region, "sa McGuire." Dessa resultat har mottagits med spänning av det astronomiska samhället och visar än en gång hur ALMA kommer att omforma vår förståelse av universum. "

ALMA kan dra nytta av dessa sällsynta möjligheter när de atmosfäriska förhållandena är "lagom" genom att använda dynamisk schemaläggning. Det betyder, teleskopoperatörerna och astronomerna övervakar noggrant vädret och utför de planerade observationer som bäst passar rådande förhållanden.

"Det finns säkert en hel del villkor som måste uppfyllas för att genomföra en framgångsrik observation med Band 10, "avslutade Brogan." Men dessa nya ALMA -resultat visar hur viktiga dessa observationer kan vara. "

"Förbli i framkant av upptäckten, observatorier måste kontinuerligt förnya sig för att driva framkanten av vad astronomi kan åstadkomma, "sa Joe Pesce, programdirektören för National Radio Astronomy Observatory vid NSF. "Det är ett kärnelement i NSF:s NRAO, och dess ALMA -teleskop, och denna upptäckt skjuter gränsen för vad som är möjligt genom markbaserad astronomi. "

Denna forskning presenteras i en uppsats med titeln "Första resultaten av en ALMA band 10 spektrallinjeundersökning av NGC 6334I:Detektioner av glykolaldehyd (HC (O) CH2OH) och ett nytt kompakt bipolärt utflöde i HDO och CS, "av B. McGuire et al. i Astrofysiska tidskriftsbrev .