Il telescopio Webb della Nasa svela il lato oscuro del ghiaccio prestellare

Per avere un pianeta abitabile, i ghiacci sono un ingrediente vitale perché sono la fonte principale di diversi elementi chiave, vale a dire carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo (denominati CHONS). Questi elementi sono ingredienti importanti sia nelle atmosfere planetarie che nelle molecole come zuccheri, alcoli e aminoacidi semplici. Un team internazionale di astronomi che utilizzano il James Webb Space Telescope della NASA ha ottenuto un inventario approfondito dei ghiacci più profondi e freddi misurati fino a oggi in una nuvola molecolare. Questi risultati sono stati pubblicati su Nature Astronomy. Oltre a semplici ghiacci come l'acqua, il team è stato in grado di identificare forme congelate di una vasta gamma di molecole, dal solfuro di carbonile, all'ammoniaca e al metano, alla molecola organica complessa più semplice, il metanolo. Si tratta del censimento più completo degli ingredienti ghiacciati disponibili per rendere le future generazioni di stelle e pianeti, prima che vengano riscaldati durante la formazione di giovani stelle.

«I nostri risultati forniscono informazioni sullo stadio iniziale di chimica scura della formazione di ghiaccio sui grani di polvere interstellari che cresceranno nei ciottoli di dimensioni centimetri da cui i pianeti si formano in dischi» ha affermato Melissa McClure, astronoma dell'Osservatorio di Leida nei Paesi Bassi, che è la ricercatrice principale del programma di osservazione e autrice principale del documento in cui si descrive tutto il processo. «Queste osservazioni aprono una nuova finestra sui percorsi di formazione per le molecole semplici e complesse necessarie per creare gli elementi costitutivi della vita».

Oltre alle molecole identificate, il team ha trovato prove di molecole più complesse del metanolo e, sebbene non abbiano definitivamente attribuito questi segnali a molecole specifiche, questo dimostra per la prima volta che molecole complesse si formano nelle profondità ghiacciate delle nuvole molecolari prima che nascano le stelle. «La nostra identificazione di molecole organiche complesse, come il metanolo e potenzialmente l'etanolo, suggerisce anche che i molti sistemi stellari e planetari che si sviluppano in questa particolare nuvola erediteranno molecole in uno stato chimico abbastanza avanzato» ha aggiunto Will Rocha, astronomo dell'Osservatorio di Leida che ha contribuito a questa scoperta. «Questo potrebbe significare che la presenza di precursori di molecole prebiotiche nei sistemi planetari è un risultato comune della formazione stellare, piuttosto che una caratteristica unica del nostro sistema solare».

Rilevando il solfuro di carbonile di ghiaccio contenente zolfo, i ricercatori sono stati in grado di stimare per la prima volta la quantità di zolfo incorporato nei grani di polvere ghiacciata prestellare.

Mentre la quantità misurata è maggiore di quella osservata in precedenza, è ancora inferiore alla quantità totale che dovrebbe essere presente in questa nuvola, in base alla sua densità. Questo vale anche per gli altri elementi CHONS. Una sfida chiave per gli astronomi è capire dove si nascondono questi elementi: nei ghiacci, nei materiali simili alla fuliggine o nelle rocce. La quantità di CHONS in ogni tipo di materiale determina quanti di questi elementi finiscono nelle atmosfere degli esopianeti e quanto nei loro interni. «Il fatto che non abbiamo visto tutti i CHONS che ci aspettiamo potrebbe indicare che sono chiusi in materiali più rocciosi o fulici che non possiamo misurare» ha spiegato McClure. «Questo potrebbe consentire una maggiore diversità nella composizione di massa dei pianeti terrestri».

La caratterizzazione chimica dei ghiacci è stata realizzata studiando come la luce delle stelle da oltre la nuvola molecolare è stata assorbita dalle molecole ghiacciate all'interno della nuvola a specifiche lunghezze d'onda infrarosse visibili a Webb. Questo processo lascia impronte digitali chimiche note come linee di assorbimento che possono essere confrontate con i dati di laboratorio per identificare quali ghiacci (molecole congelate) sono presenti nella nube molecolare. In questo studio, il team ha preso di studiato i ghiacci sepolti in una regione particolarmente fredda, densa e difficile da indagare della nuvola molecolare Chamaeleon I, una regione a circa 500 anni luce dalla Terra che è attualmente in procinto di formare dozzine di giovani stelle. «Semplicemente non avremmo potuto osservare questi ghiacci senza Webb» ha spiegato Klaus Pontoppidan, scienziato del progetto Webb presso lo Space Telescope Science Institute di Baltimora, nel Maryland, che è stato coinvolto in questa ricerca. «I ghiacci si presentano mentre si tuffa contro un continuum di luce stellare di sfondo. Nelle regioni così fredde e dense, gran parte della luce della stella di fondo è bloccata e la squisita sensibilità di Webb era necessaria per rilevare la luce delle stelle e quindi identificare i ghiacci nella nuvola molecolare».

Questa ricerca fa parte del progetto Ice Age, uno dei 13 programmi Early Release Science di Webb. Queste osservazioni sono progettate per mostrare le capacità di osservazione di Webb e per consentire alla comunità astronomica di imparare come ottenere il meglio dai suoi strumenti. Il team dell'era glaciale ha già pianificato ulteriori osservazioni e spera di tracciare il viaggio dei ghiacci dalla loro formazione fino all'assemblaggio di comete ghiacciate. «Questo è solo il primo di una serie di istantanee spettrali che otterremo per vedere come i ghiacci si evolvono dalla loro sintesi iniziale alle regioni che formano le comete dei dischi protoplanetari» ha concluso McClure. «Questo ci dirà quale miscela di ghiaccio - e quindi quali elementi - può alla fine essere consegnata alle superfici degli esopianeti terrestri o incorporata nelle atmosfere di gas giganti o pianeti di ghiaccio».