Астрономы объяснили быстрое образование органических макромолекул в протопланетных дисках

Схематическое изображение сценария формирования МОМ. Автор: Nature Astronomy (2024). https://doi.org/10.1038/s41550-024-02334-4

Международная группа исследователей во главе с Бернским университетом использовала компьютерное моделирование на основе наблюдений, чтобы найти объяснение тому, как макромолекулы могут образовываться за короткое время в дисках газа и пыли 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 благоприятного для жизни углеродного и азотного состава Земли.

Планетологи уже давно предполагали, что органические макромолекулы, делающие Землю пригодной для жизни, происходят из так называемых хондритов. Хондриты — это каменные строительные блоки, из которых образовалась Земля около 4,6 миллиардов лет назад и которые сегодня мы знаем как метеориты.

Хондриты образуются на ранних стадиях путем скопления пыли и мелких частиц в протопланетном диске, формирующемся вокруг молодой звезды. Но до сих пор вопрос заключался в том, как образовались макромолекулы, присутствующие в этих скоплениях гальки.

Исследователи под руководством Нильса Лигтеринка теперь представляют объяснение этому в исследовании, опубликованном в журнале Nature Astronomy.

Лигтеринк, первый автор исследования, до конца июня 2024 года работала в отделе космических исследований и планетных наук Бернского университета, а сейчас является доцентом Технического университета в Делфте.

Пылевые ловушки 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 неясно, где в космосе образуется эта макромолекулярная материя.

Для текущего исследования исследовательская группа, которую собрал Лигтеринк, объединила в своей модели два уже известных явления. Первое — это явление, заключающееся в том, что в пылевом диске, вращающемся вокруг молодой звезды, существуют области скопления пыли и льда.

В такой пылевой или ледяной ловушке ледяная пыль не остается неподвижной, а движется вверх и вниз, и происходят важные механизмы образования так называемых планетезималей, предшественников и строительных блоков планет.

Второе явление связано с сильным облучением, например звездным светом, 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 их можно сравнить с черной сажей и графеном.

Если бы, как предположили исследователи, существовали пылевые ловушки, которые также подвергались интенсивному звездному свету, там вполне могли бы образоваться органические макромолекулы. Чтобы проверить свою гипотезу, исследователи создали модель, которая позволяла им рассчитывать различные условия.

Удивительно быстрое образование макромолекул

Модель показала, что при правильных условиях образование макромолекул действительно возможно всего за несколько десятилетий. «Конечно, мы ожидали такого результата, но было приятным сюрпризом, что он оказался настолько очевидным», — говорит главный исследователь Лигтеринк.

«Я надеюсь, что исследования будут уделять больше внимания влиянию тяжелой радиации на сложные химические процессы. Большинство исследователей сосредотачиваются на относительно небольших органических молекулах размером в несколько десятков атомов, тогда как хондриты, строительные блоки планет, содержат в основном крупные макромолекулы. "

«Это действительно здорово, что теперь мы можем использовать модель, основанную на наблюдениях, чтобы объяснить, как могут образовываться большие молекулы», — говорит соавтор Нинке ван дер Марель из Лейденского университета в Нидерландах. Одиннадцать лет назад она и ее коллеги первыми убедительно продемонстрировали существование пылевых ловушек. С тех пор она увлеклась этой темой.

«Наши исследования представляют собой уникальное сочетание астрохимии, наблюдений с помощью радиотелескопа-обсерватории ALMA, лабораторных работ, эволюции пыли и изучения метеоритов из нашей солнечной системы».

В будущем исследователи планируют изучить, как разные типы пылевых ловушек по-разному реагируют на радиацию и движущиеся потоки пыли. «Это поможет им узнать больше о вероятности существования жизни вокруг различных типов экзопланет и звезд», — заключает Лигтеринк.

Больше информации: Ligterink, NFW et al, The rapid formation of macromolecules in irradiated ice of protoplanetary disk dust traps. Nature Astronomy (2024). doi.org/10.1038/s41550-024-02334-4

Источник: University of Bern