Eerste detectie van methanol in een planeet-vormende schijf

Met de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) is het organische molecuul methanol (methylalcohol) opgespoord in de protoplanetaire schijf rond de ster TW Hydrae. Het is voor het eerst dat deze verbinding in een jonge planeet-vormende schijf is gedetecteerd. Methanol is tot nu toe het enige complexe organische molecuul dat in zo’n schijf is aangetroffen waarvan vaststaat dat het een ijzige voorgeschiedenis heeft. Zijn detectie helpt astronomen om de chemische processen te begrijpen die optreden tijden de vorming van planetenstelsels, en die uiteindelijk leiden tot het ontstaan van de bestanddelen van het leven.

De protoplanetaire schijf rond de jonge ster TW Hydrae is, met een afstand van slechts ongeveer 170 lichtjaar, de meest nabije in zijn soort. Dat maakt hem tot een ideaal onderzoeksobject voor astronomen. Dit stelsel lijkt vermoedelijk veel op het zonnestelsel zoals dit er meer dan vier miljard jaar geleden uitzag. De Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) is op dit moment het krachtigste instrument voor het in kaart brengen van de chemische samenstelling en de verdeling van koud gas in nabije protoplanetaire schijven. Een groep astronomen onder leiding van Catherine Walsh (Sterrewacht Leiden) heeft dit unieke vermogen nu benut om de chemische eigenschappen van de protoplanetaire schijf van TW Hydrae te onderzoeken.

Bij de ALMA-waarnemingen heeft zich, voor het eerst in een protoplanetaire schijf, de vingerafdruk van gasvormige methanol (CH3OH) geopenbaard. Methanol – een derivaat van methaan – is een van de grootste complexe organische moleculen die tot op heden in zo’n schijf zijn gedetecteerd. Zijn detectie is van cruciaal belang om te kunnen begrijpen hoe organische moleculen in planeten-in-wording terechtkomen. Methanol staat bekend als ‘bouwsteen’ van complexere prebiotische moleculen, zoals aminozuren. Hierdoor speelt methanol een onmisbare rol bij de totstandkoming van de rijke organische chemische omstandigheden die nodig zijn voor het ontstaan van leven.

Catherine Walsh, hoofdauteur van het onderzoek, legt uit: ‘De opsporing van methanol in een protoplanetaire schijf is een bewijs van het unieke vermogen van ALMA om de complexe organische ijsvoorraden in schijven te onderzoeken. Dit stelt ons, voor het eerst, in staat om de complexe chemische omstandigheden in een planetaire kraamkamer rond een jonge zonachtige ster te analyseren.’ Het gasvormige methanol in een protoplanetaire schijf is van cruciaal belang voor de astrochemie. Waar de vorming van de andere molecuulsoorten die in de ruimte zijn gedetecteerd volledig via de gasfase is verlopen, of via een combinatie van zowel gasfase als vaste fase, is methanol een complexe organische verbinding die uitsluitend in ijsvormige toestand is ontstaan, via reacties aan het oppervlak van stofdeeltjes.

De scherpe blik van ALMA heeft astronomen ook in staat gesteld om de verdeling van het gasvormige methanol over de schijf van TW Hydrae in kaart te brengen. Daarbij hebben zij een ringvormig patroon ontdekt, evenals een aanzienlijke emissie uit de naaste omgeving van de centrale ster [1]. De waarneming van methanol in gasvormige toestand, in combinatie met informatie over zijn verdeling, impliceert dat het methanol is ontstaan op ijzige deeltjes in de schijf en nadien als gas is vrijgekomen. Deze eerste waarneming geeft meer duidelijkheid over het vraagstuk van de fase-overgang van methanolijs- naar -gas [2], en de chemische processen die zich in astrofysische omgevingen afspelen in het algemeen [3].

Mede-auteur Ryan A. Loomis voegt daaraan toe: ‘Het gasvormige methanol in de schijf is een ondubbelzinnige indicator van de rijke organische chemische processen die zich al in een vroeg stadium van de vorming van sterren en planeten voltrekken. Dit resultaat is van grote betekenis voor ons begrip van hoe organische materie zich in zeer jonge planetenstelsels ophoopt.’ Deze eerste detectie van koude gasvormige methanol in een protoplanetaire schijf betekent dat de productie van ijzige verbindingen in schijven nu kan worden verkend, wat de weg bereidt voor toekomstige onderzoeken van de complexe organische chemie in planetaire kraamkamers. Daarmee beschikken astronomen, bij hun jacht op levensvatbare exoplaneten, nu over een krachtig nieuw hulpmiddel.

Noten

[1] Het patroon in de methanolgegevens die met ALMA zijn verzameld, stemt overeen met een gordel van methanol tussen 30 en 100 astronomische eenheden (AE) van de ster. Deze structuur ondersteunt de hypothese dat het leeuwendeel van het ijs in de schijf te vinden is op de wat grotere (afmetingen tot een millimeter) stofdeeltjes in de binnenste 50 AE, die zich hebben losgemaakt van het gas en straalsgewijs in de richting van de ster zijn afgedreven.

[2] Bij dit onderzoek zijn ook andere mechanismen dan thermische desorptie (waarbij methanol vrijkomt bij temperaturen die hoger zijn dan zijn sublimatietemperatuur) door het team overwogen, waaronder fotodesorptie door ultraviolette fotonen en reactieve desorptie. Gedetailleerdere ALMA-waarnemingen zouden zeker helpen om vast te stellen welk scenario de boventoon voert.

[3] Het radiale verloop in de chemische samenstelling van het middenvlak van de schijf, en met name de ligging van de verschillende sneeuwlijnen, is cruciaal bij het begrijpen van de chemische eigenschappen van planeten-in-wording. De sneeuwlijnnen geven de grens aan waar voorbij een bepaalde vluchtige chemische verbinding aan stofdeeltjes vastvriest. De ontdekking dat methanol ook in de koudere buitengebieden van de schijf te vinden is, toont aan dat het zich van de stofdeeltjes kan losmaken bij temperaturen die veel lager zijn dan zijn sublimatietemperatuur – een voorwaarde voor thermische desorptie.