Forskare från University of Arizona har upptäckt organiska molekyler i planetariska nebulosor, efterdyningarna av döende stjärnor, och längst ut i Vintergatan, som har ansetts vara för kalla och för borttagna från det galaktiska centrumet för att stödja sådana kemier. De presenterar sina resultat vid det 238:e mötet i American Astronomical Society, eller AAS, hålls praktiskt taget från 7-9 juni.

Ett team ledd av Lucy Ziurys vid University of Arizona rapporterar observationer av organiska molekyler i planetariska nebulosor i oöverträffad detalj och rumslig upplösning. Med Atacama Large Millimeter Array, eller ALMA, Ziurys och hennes team observerade radioutsläpp från vätecyanid (HCN), formyljon (HCO ⁺ ) och kolmonoxid (CO) i fem planetariska nebulosor:M2-48, M1-7, M3-28, K3-45 och K3-58.

Emissionen från dessa molekyler visade sig skissera formerna på planetariska nebulosor, som tidigare bara hade observerats i synligt ljus. I vissa fall, molekylära signaturer avslöjade tidigare osynliga egenskaper. Den höga upplösningen på en bågsekund, motsvarar en krona sett på 2,5 mils avstånd, resulterade i slående bilder av nebulosorna, som tydligt visar täthetens komplexa geometri, utkastat material med stänger, lober och bågar som aldrig tidigare observerats tydligt.

Planetariska nebulosor är ljusa föremål, produceras när stjärnor av en viss typ når slutet av sin evolution. De flesta stjärnor i vår galax, inklusive solen, förväntas avsluta sina liv på detta sätt. När den döende stjärnan släpper ut stora mängder av sin massa i rymden och blir en vit dvärg, den avger vanligtvis stark ultraviolett strålning. Denna strålning ansågs länge bryta upp alla molekyler som kastades in i det interstellära mediet från den döende stjärnan och reducera dem till atomer.

Detektering av organiska molekyler i planetariska nebulosor de senaste åren har visat att så inte är fallet, dock, och observationerna som presenteras här stöder ytterligare idén att planetariska nebulosa fungerar som kritiska källor som såddar det interstellära mediet med molekyler som fungerar som de råa ingredienserna i bildandet av nya stjärnor och planeter. Planetariska nebulosor tros tillhandahålla 90 % av materialet i det interstellära mediet, med supernovor som lägger till de återstående 10 %.

"Man trodde att molekylära moln som skulle ge upphov till nya stjärnsystem skulle behöva börja från början och bilda dessa molekyler från atomer, sade Ziurys, en regentprofessor i kemi och astronomi vid UArizona. "Men om processen börjar med molekyler istället, det kan dramatiskt påskynda kemisk utveckling i begynnande stjärnsystem."

Ziurys och hennes team tror att formförskjutningsbeteendet i nebulosornas geometri kan drivas av vissa processer involverade i nukleosyntes, med andra ord, smide av nya element inuti en stjärna.

"Det säger oss att i en döende stjärna, som är sfärisk fram till dess slutfas, en mycket intressant dynamik inträffar när den går igenom planetariska nebulosan, som ändrar den sfäriska formen, " Sa Ziurys. "Dessa stjärnor tappar bara sin massa, och så det finns egentligen ingen mekanism för att de helt plötsligt ska bli bipolära eller ens fyrpoliga."

Enligt forskarna, en möjlig förklaring kan vara heliumblixtar, som har sitt ursprung i en het, konvektivt skal runt kärnan av en döende stjärna och kan möjligen ge en källa till explosiv kärnsyntes bort från stjärnans centrum, vilket resulterar i de mycket komplexa former som ses i vissa nebulosor.

"Detta kan förmodligen förvränga den sfäriska formen eftersom en heliumblixt kan explodera genom polerna på en stjärna, vart det kommer att styras av magnetfält, och det kommer att ha en effekt på formen på nebulosan som kommer att bildas runt den, " Hon sa.

Enligt Ziurys, många planetariska nebulosor är något av en gåta, eftersom de utvecklats från sfäriska stjärnor men sedan gav upphov till bipolära eller till och med fyrpolära strukturer.

"Det har varit ett pussel för astronomer om hur man går från en sfärisk geometri till dessa multipolära geometrier, " sa hon. "Molekylerna vi observerade spårar de polära geometrierna vackert, och så vi hoppas att detta kommer att ge oss lite insikt i utformningen av planetariska nebulosor."

I en andra presentation, Lilia Koelemay, en doktorand i Ziurys forskargrupp, kommer att rapportera om upptäckten av organiska molekyler i utkanten av Vintergatan, mer än dubbelt så långt från det galaktiska centrumet än vad som kallas den galaktiska beboeliga zonen, eller GHZ.

Vintergatans GHZ, som inkluderar solsystemet, är en region som anses ha gynnsamma förutsättningar för livsbildning. Det tros sträcka sig till endast upp till 10 kiloparsecs, eller cirka 32, 600 ljusår, från det galaktiska centrumet.

Med UArizona ARO 12-metersteleskop på Kitt Peak nära Tucson, Arizona, Koelemay, Ziurys och team sökte efter 20 molekylära moln i Vintergatans Cygnus-armar efter signaturemissionsspektra av metanol, en grundläggande organisk molekyl. På bara 20 Kelvin, dessa moln är vanligtvis extremt kalla och långt från det galaktiska centrumet, på ett avstånd av 13 till 23,5 kiloparsek. Teamet upptäckte metanol i alla 20 molnen.

Enligt Koelemay, upptäckten av dessa organiska molekyler vid den galaktiska kanten kan antyda att organisk kemi fortfarande är utbredd vid galaxens yttre delar, och GHZ kan sträcka sig mycket längre från det galaktiska centrumet än den nuvarande etablerade gränsen.

"Forskare har undrat över omfattningen av organisk kemi i vår galax under lång tid, och man trodde alltid att inte för långt bortom vår sol, vi kommer inte att se många organiska molekyler, " sade Koelemay. "Det allmänt hållna antagandet var att i utkanten av vår galax förekommer den kemi som krävs för att bilda organiska ämnen helt enkelt inte."

Den slutsatsen baserades delvis på den förmodade bristen på organiska molekyler i de yttre delarna av galaxen, enligt forskarna. Föreställningen om den galaktiska beboeliga zonen bygger på idén att för beboeliga förhållanden att existera där liv kan utvecklas, ett planetsystem kan inte vara för nära det galaktiska centrumet med dess extremt höga täthet av stjärnor och intensiv strålning, och det kan inte vara för långt ut, eftersom det inte skulle finnas tillräckligt med element som är kritiska för livet, som syre, kol och kväve.

Observationerna möjliggjordes av en ny 2-millimeters våglängdsmottagare med oöverträffad känslighet. Utvecklat i ett samarbete mellan Ziurys, Gene Lauria, ingenjör vid Steward Observatory, och National Radio Astronomy Observatory, mottagaren möjliggör detektering av molekylära emissionslinjer i en våglängdsbandbredd som radioastronomer i USA inte kunde komma åt på många år.

"Utan detta nya instrument, dessa observationer skulle ha tagit hundratals timmar, vilket inte är möjligt, ", sa Ziurys. "Med denna nya förmåga, vi förväntar oss att dramatiskt öppna vårt observationsfönster och upptäcka molekyler i andra regioner i vår galax som tidigare ansågs sakna sådan kemi."

Nyligen, Koelemay har börjat leta efter andra molekyler förutom metanol, såsom metylcyanid, organiska molekyler med ringstrukturer och andra som innehåller funktionella grupper som är kända för att vara avgörande byggstenar för biomolekyler. Upptäckter av dessa molekyler i det interstellära mediet har väckt stort intresse, eftersom många forskare anser dem vara lovande kandidater för livets uppkomst. När organiska molekyler finns i framväxande planetsystem, de kan kondensera på asteroidernas ytor, som sedan levererar dem till begynnande planeter, där de potentiellt kan sätta fart på livets utveckling.

"Vi hittar dessa arter i utkanten av galaxen, och överflödet faller inte ens av 10 kiloparsecs från solsystemet, där kemin som krävs för att bygga de molekyler som behövs för livet helt enkelt inte troddes inträffa, sade Ziurys, Koelemays rådgivare och medförfattare till rapporten. "Det faktum att de är där utökar möjligheterna för beboeliga planeter att bildas långt bortom vad som har ansetts vara den beboeliga zonen är extremt spännande."