Det Saknas kolmonoxid i protoplanetära skivor.

 

Protoplanetära skivor finns runt en ny stjärna och här bildas planeter vilket gör dem till ett intressant studiemål för forskare. Astronomer har observerat att det finns  kolmonoxid i protoplanetära skivor. Föreningen är extremt ljusstark och extremt vanlig i dessa som består av damm och gas. 

Men under det senaste decenniet har man upptäckt att något inte stämt då det gäller kolmonoxidhalten som bör finnas här. En stor del av den kolmonoxid som enligt fysikens lagar ska finnas här saknas i alla observationer av de skivor man hittills observerat.

Men nyligen har dock en lösning på mysteriet uppstått genom ett tvärvetenskapligt samarbete vid UC Santa Cruz under ledning av Diana Powell vilken nyligen tog sin doktorsexamen i astrofysik vid UCSC 2021 och nu är NASA Hubble Fellow vid Center for Astrophysics | Harvard och Smithsonian.

I samarbete med Ruth Murray-Clay, Gunderson-professor i teoretisk astrofysik vid UCSC, och Xi Zhang docent i Earth and planetary sciences, utvecklade Powell en ny modell som indikerar att kolmonoxiden likväl finns där i den mängd som den bör finnas. Men den är dold i isformationer i de protoplanetära skivorna. Denna Modellösning på problemet validerades genom observationer av ALMA:s radioobservatorium. Forskarlaget har därefter rapporterat sina resultat i en artikel publicerad den 22 augusti i Nature Astronomy.

Detta kan och bör vara lösningen på ett av de största olösta problemen vi sett i protoplanetära skivor", säger Powell. "Beroende på vilket nytt solsystem som observerats är kolmonoxiden  tre till 100 gånger mindre i dessa skivor än det borde vara. Ett kolmonoxidfel kan få stora konsekvenser för astrokemin. Men nu verkar fallet löst då den försvunna kolmonoxiden hittats.

"Kolmonoxiden används i huvudsak till att spåra allt vi vet om skivorna - som massa, dess sammansättning och temperatur", förklarade Powell. "Det kan innebära att många av våra tidigare resultat av protoplanetära skivor har varit partiska och osäkra eftersom vi inte förstått dem tillräckligt bra."

Som doktorand vid UCSC studerade Powell planetbildning i protoplanetära skivor tillsammans med Murray-Clay och i ett separat projekt med Zhang studerade hon molnfysik i planetatmosfärer. Arbetet inom dessa två områden inspirerade henne att tillämpa en modelleringsmetod som används i molnfysik för att förstå bildandet av ispartiklar i protoplanetära skivor.

"Is är mycket viktiga byggstenar av planeter", förklarade Zhang.

Powell gjorde ändringar i en astrofysisk modell som används för att studera moln på exoplaneter.

"Det som verkligen är speciellt med den här modellen är att den visar detaljerad fysik för hur is bildas på partiklar", sa hon. – Alltså hur isen kärnas upp på små partiklar och sedan hur den kondenserar. Modellen spårar noggrant var isen finns vilken partikel isen finns på, hur stora partiklarna är, hur små de är och hur de rör sig.

Powell tillämpade denna anpassade modell på protoplanetära  skivor i hopp om att skapa en djupgående förståelse av hur kolmonoxid utvecklas över tid i protoplanetära skivor. För att testa modellens validitet jämförde Powell sedan dess utdata med  ALMA-observationer av kolmonoxid i fyra välstuderade skivor som har namnen TW Hya, HD 163296, DM Tau och IM Lup.

Den nya modellen radade upp sig med var och en av observationerna och visade att de fyra skivorna faktiskt inte alls saknade kolmonoxid. Det man saknat av den upptäcktes nu  dolt i is något som för närvarande inte kan upptäckas med ett optiskt teleskop.

Murray-Clay säger att de nya resultaten är ett inspirerande exempel på det tvärvetenskapliga tillvägagångssättet som främjas av UCSC: s Astrobiology Initiative. "Detta var kulmen då Diana förde in insikter från molnfysiken tillsammans med vårt arbete med protoplanetära skivor och det resulterade i detta vackra och oväntade resultat", sa hon.

"För mig var det en överraskning att den mycket småskaliga mikrofysiken hos dessa ispartiklar har en så storskalig inverkan att dess effekt kan detekteras ljusår bort i observationer av protoplanetära skivor", tillade Zhang.

Radioobservationer från ALMA observatoriet tillåter astronomer att se kolmonoxid i rymden i dess gasfas men is är mycket svårare att upptäcka med nuvarande teknik särskilt då stora isformationer, säger Powell.

Bild vikipedia. En konstnärs bild av en protoplanetär skiva.