Образование органических молекул в протопланетных дисках
Международная группа исследователей во главе с Бернским университетом использовала компьютерное моделирование, основанное на наблюдениях, чтобы найти объяснение тому, как макромолекулы могут образовываться за короткое время в газовых и пылевых дисках вокруг молодых звезд. Эти результаты могут иметь решающее значение для понимания того, как развивается обитаемость вокруг различных типов экзопланет и звезд.
Органические макромолекулы считаются строительными блоками жизни, поскольку они имеют решающее значение для поддержания благоприятного для жизни углеродного и азотного состава Земли.
Планетологи давно предполагали, что органические макромолекулы, которые делают Землю пригодной для жизни, происходят из так называемых хондритов. Хондриты - это каменные строительные блоки, из которых Земля сформировалась около 4,6 миллиардов лет назад и которые мы сегодня знаем как метеориты.
Хондриты образуются на ранних стадиях в результате накопления пыли и мелких частиц в протопланетном диске, который образуется вокруг молодой звезды. Но до сих пор вопрос заключался в том, как образовались макромолекулы, присутствующие в этих скоплениях гальки.
Исследователи во главе с Нильсом Лигтеринком теперь представляют объяснение этому в исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy.
Лигтеринк, первый автор исследования, работал в отделе космических исследований и планетарных наук Бернского университета до конца июня 2024 года, а в настоящее время является доцентом Технического университета в Делфте.
Пылеуловители и радиация как ключевые элементы
"Макромолекулярное вещество как таковое отвечает за углеродный и азотный состав Земли и обеспечивает условия для жизни", - объясняет Лигтеринк. Однако до сих пор не было ясно, где в космосе образуется это высокомолекулярное вещество.
Для текущего исследования исследовательская группа, созданная Лигтеринком, объединила в своей модели два уже известных явления. Первое - это явление, заключающееся в том, что в пылевом диске, вращающемся вокруг молодой звезды, есть области, где скапливаются пыль и лед.
В такой пылевой или ледяной ловушке ледяная пыль не остается неподвижной, а перемещается вверх и вниз, и происходят важные механизмы формирования так называемых планетезималей, предшественников и строительных блоков для планет.
Второе явление связано с интенсивным облучением, например, светом звезд, простых ледяных смесей. Лабораторные исследования показали, что при облучении могут образовываться очень сложные молекулы размером в сотни атомов. Эти молекулы содержат в основном атомы углерода и могут быть сравнимы с черной сажей и графеном.
Если, как предположили исследователи, там были пылеуловители, которые также подвергались воздействию интенсивного звездного света, там вполне могли образоваться органические макромолекулы. Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи создали модель, которая позволила им рассчитать различные условия.
Удивительно быстрое образование макромолекул
Модель показала, что при определенных условиях образование макромолекул действительно возможно всего за несколько десятилетий. "Мы, конечно, ожидали такого результата, но для нас стало приятным сюрпризом, что он оказался настолько очевидным", - говорит главный исследователь Лигтеринк.
"Я надеюсь, что в ходе исследований будет уделено больше внимания влиянию интенсивного излучения на сложные химические процессы. Большинство исследователей фокусируются на относительно небольших органических молекулах размером в несколько десятков атомов, в то время как хондриты, строительные блоки планет, содержат в основном крупные макромолекулы."
"Это действительно очень здорово, что теперь мы можем использовать модель, основанную на наблюдениях, для объяснения того, как могут образовываться большие молекулы", - говорит соавтор исследования Нинке ван дер Марел (Nienke van der Marel) из Лейденского университета в Нидерландах. Одиннадцать лет назад она и ее коллеги были первыми, кто убедительно продемонстрировал существование пылеуловителей. С тех пор она увлеклась этой темой.
"Наше исследование представляет собой уникальное сочетание астрохимии, наблюдений с помощью радиотелескопа обсерватории ALMA, лабораторной работы, эволюции пыли и изучения метеоритов из нашей солнечной системы".
В будущем исследователи планируют изучить, как различные типы пылеуловителей по-разному реагируют на излучение и движущиеся потоки пыли. "Это поможет им узнать больше о вероятности существования жизни вокруг различных типов экзопланет и звезд", - заключает Лигтеринк.
