Observationer av planetariska nebulosor har avslöjat ovanligt molekylärt innehåll och överraskande anrikningar av sällsynta isotoper, utmanar både kemiska modeller såväl som vår nuvarande förståelse av stjärnnukleosyntes.

Med hjälp av Arizona Radio Observatory 12-m och submillimeterteleskop och IRAM 30-m-teleskopet nära Granada, Spanien, astronomer vid University of Arizona upptäckte en oväntad kemisk inventering i planetariska nebulosor. Dessa resultat, presenteras vid det 236:e mötet i American Astronomical Society av Deborah Schmidt (nu vid Swarthmore College), tyder på att planetariska nebulosor spelar en viktig roll för att förse det interstellära rymden med material rikt på molekyler, inte bara atomer.

Ytterligare, molekylära data har avslöjat ovanliga anrikningar av sällsynta isotoper av vanliga grundämnen som kol, syre, och kväve, inklusive 13C, 15N, och 17O. De höga förekomsterna av dessa ovanliga isotoper i planetariska nebulosor kan inte förklaras av vår nuvarande förståelse av hur de flesta stjärnor dör, föreslå ytterligare processer, även våldsamma explosioner, kan förekomma.

Planetariska nebulosor representerar de sista flämtarna av döende solliknande stjärnor. I slutet av deras liv, dessa stjärnor kastar ut sina yttre lager, bildar ett briljant fluorescerande hölje som expanderar bort från den kvarvarande kärnan. Denna utstötning blandar sig med materia med låg densitet som finns mellan stjärnor, känt som det interstellära mediet, där det senare kan införlivas i nybildade stjärnsystem.

Den rudimentala kärnan, kallas en vit dvärg, avger rikliga mängder högenergistrålning när dess temperatur ökar in i den planetariska nebulosans fas. Som ett resultat, man trodde länge att nebulosmaterialet skulle vara elementärt till sin sammansättning, med eventuella kvarvarande molekyler från tidigare stadier i stjärnans liv som förstörs av de energirika fotonerna från den vita dvärgen.

Helt i motsats till dessa modellförutsägelser, observationer utförda av Schmidt som en del av hennes avhandlingsarbete vid University of Arizona grävde fram en mängd ovanliga molekylarter i över 25 planetariska nebulosor.

Dessa resultat visar otvetydigt att molekyler är viktiga komponenter i sammansättningen av planetariska nebulosor, och de kan därefter "förorena" det diffusa interstellära mediet. Historiskt sett, astronomer har kämpat för att förklara mängden av polyatomära molekyler som observerats i diffus gas, eftersom det inte finns tillräckligt tätt material för att skapa dem på en realistisk tidsskala. Upptäckten av Schmidt et al. föreslår en ny lösning för detta pågående dilemma.

De molekylära observationerna av dessa planetariska nebulosor ger också en unik inblick i de kärnreaktioner som inträffade i progenitor-stjärnan, och de grundämnen och deras olika kärnor som producerades. Detta beror på att observationer vid radio- och millimetervåglängder utförs med den högsta spektrala upplösningen, gör att molekyler med olika grundämnen och isotoper kan särskiljas tydligt.

Schmidt och kollegor upptäckte att molekylerna de har hittat indikerar om stamfadersstjärnan var rik på kol, till exempel. Vidare, de har kunnat mäta överflödsförhållanden mellan huvudelementet och dess sällsynta former, såsom 12C/13C eller 14N/15N. Sådana förhållanden är kända för att vara känsliga sonder av processerna som inträffade djupt inuti stjärnan innan den dog, och har använts som ett av få "riktmärken" för att testa stjärnmodellering. Nu, för första gången, de kan mätas exakt i planetariska nebulosor, ger en "snapshot" av stjärnans slutskede.

Vad avslöjade observationerna i planetariska nebulosor? Mycket kol, för det första, tillsammans med höga överflöd av 13C, och i en nebulosa, K4-47, enormt förhöjda mängder av 15N och 17O – högre än vad som observerats någon annanstans i universum (Schmidt et al. 2018). De höga koncentrationerna av 13C, 15N, och 17O som observerats i planetariska nebulosor har inte förutspåtts av modeller av döende stjärnor.

Specifikt, Schmidt och medarbetare antyder att förfädersstjärnorna till dessa planetariska nebulosor kan ha genomgått en oväntad händelse när de gjorde sina sista "flämningar" - en heliumskalblixt, där hett kol från djupt inuti stjärnan blåses ut till stjärnytan. I den våldsamma explosion som inträffar, 13C, 15N, och 17O skapas och kastas ut från stjärnan. En sådan energisk process kan också förklara de ovanliga bipolära och multipolära geometrierna som vanligtvis uppvisas av planetariska nebulosor, ge dem deras "timglas" och "klöverblad" former.

Döende stjärnor producerar också dammkorn. Några av dessa korn har faktiskt tagit sig till vårt solsystem, där forskare som kollaboratören Thomas Zega extraherar dem från orörda meteoriter. Elementära isotoper kan mätas i dessa så kallade "presolära" korn, ger en Rosetta Stone av deras historia. Vissa av dessa korn har visat sig uppvisa konsekvent låga 12C/13C, 14N/15N, och 16O/17O-förhållanden – ett pussel för kosmokemister, eftersom dessa förhållanden inte kan förklaras av normala modeller.

I brist på en bättre förklaring, det har spekulerats i att dessa atypiska korn har sitt ursprung i novaer, en typ av termonukleär explosion som sker på ytan av stjärnresterna med låg massa i binära system. Deras ovanliga förhållanden, dock, matcha de som finns i K4-47, antyder att planetariska nebulosor är deras verkliga födelseplatser.

Planetariska nebulosor försörjer det mesta av den materia som finns i det interstellära rymden, vilket sedan leder till stjärnsystem som vårt eget. Schmidts och kollegors arbete har visat att dessa föremål innehåller dolda molekyler och elementära isotoper, osynliga i de färgglada bilderna som porträtterar dem. Utforska dessa nya, oväntade aspekter av planetariska nebulosor är avgörande för vår förståelse av stjärnornas historia och materiens utveckling som bildade vårt solsystem.