26/06/2023
9458 lượt xem
57 thích
Một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã sử dụng dữ liệu do Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA/ESA/CSA thu thập để phát hiện một phân tử [1] lần đầu tiên được gọi là cation metyl (CH3+), nằm trong đĩa tiền hành tinh bao quanh một ngôi sao trẻ. Họ đã hoàn thành kỳ tích này nhờ phân tích chuyên gia liên ngành, bao gồm cả thông tin đầu vào chính từ các nhà quang phổ học trong phòng thí nghiệm.
Phân tử đơn giản này có một đặc tính độc đáo: nó phản ứng tương đối kém hiệu quả với nguyên tố dồi dào nhất trong Vũ trụ của chúng ta (hydro) nhưng lại phản ứng dễ dàng với các phân tử khác và do đó khởi xướng sự phát triển của các phân tử dựa trên carbon phức tạp hơn. Hóa học carbon được các nhà thiên văn học đặc biệt quan tâm vì tất cả sự sống đã biết đều dựa trên carbon. Vai trò quan trọng của CH3+ trong hóa học carbon giữa các vì sao đã được dự đoán vào những năm 1970, nhưng khả năng độc đáo của Webb cuối cùng đã khiến việc quan sát trở nên khả thi — trong một vùng không gian nơi các hành tinh có khả năng chứa sự sống cuối cùng có thể hình thành.
hợp chất cacbon [2] tạo thành nền tảng của tất cả sự sống đã biết và do đó, các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến việc tìm hiểu cả cách thức sự sống phát triển trên Trái đất và cách thức nó có thể phát triển ở những nơi khác trong Vũ trụ của chúng ta. Như vậy, hóa học hữu cơ giữa các vì sao [3] là một lĩnh vực rất thu hút đối với các nhà thiên văn học, những người nghiên cứu về những nơi các ngôi sao và hành tinh mới hình thành. ion phân tử [4] chứa carbon đặc biệt quan trọng, vì chúng phản ứng với các phân tử nhỏ khác để tạo thành các hợp chất hữu cơ phức tạp hơn ngay cả ở nhiệt độ thấp giữa các vì sao [5].
Cation metyl (CH3+) là một ion dựa trên cacbon như vậy. CH3+ đã được các nhà khoa học thừa nhận là có tầm quan trọng đặc biệt từ những năm 1970 và 1980. Điều này là do một đặc tính hấp dẫn của CH3+, đó là nó phản ứng với nhiều loại phân tử khác. Cation nhỏ này đủ quan trọng để nó được coi là nền tảng của hóa học hữu cơ giữa các vì sao, nhưng cho đến nay nó chưa bao giờ được phát hiện. Các đặc tính độc đáo của Kính viễn vọng Không gian James Webb khiến nó trở thành công cụ lý tưởng để tìm kiếm cation quan trọng này — và hiện tại, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã lần đầu tiên quan sát nó cùng với Webb. Marie-Aline Martin thuộc Đại học Paris-Saclay, Pháp, nhà quang phổ học và thành viên nhóm khoa học, giải thích: “Việc phát hiện CH3+ này không chỉ xác nhận độ nhạy đáng kinh ngạc của James Webb mà còn xác nhận tầm quan trọng trung tâm của CH3+ trong hóa học giữa các vì sao.”
Vùng Orion Bar (hình ảnh MIRI được nâng cấp)
Tín hiệu CH3+ được phát hiện trong đĩa tiền hành tinh sao [6] được gọi là d203-506, nằm cách chúng ta khoảng 1350 năm ánh sáng, trong Tinh vân Lạp Hộ. Trong khi ngôi sao trong d203-506 là một ngôi sao lùn đỏ nhỏ, với khối lượng chỉ bằng khoảng 1/10 Mặt trời, hệ thống này bị bắn phá bởi bức xạ cực tím mạnh từ những ngôi sao nóng, trẻ, nặng gần đó. Các nhà khoa học tin rằng hầu hết các đĩa tiền hành tinh hình thành hành tinh đều trải qua thời kỳ bức xạ cực tím mạnh như vậy, vì các ngôi sao có xu hướng hình thành theo nhóm thường bao gồm các ngôi sao lớn, tạo ra tia cực tím. Thật thú vị, bằng chứng từ các thiên thạch cho thấy rằng đĩa tiền hành tinh hình thành nên Hệ Mặt trời của chúng ta cũng phải chịu một lượng lớn bức xạ cực tím – được phát ra bởi một ngôi sao đồng hành với Mặt trời của chúng ta đã chết từ lâu (những ngôi sao khổng lồ cháy sáng và chết nhiều nhanh hơn những ngôi sao nhỏ hơn). Yếu tố gây nhiễu trong tất cả những điều này là bức xạ tia cực tím từ lâu đã được coi là hoàn toàn có khả năng phá hủy sự hình thành các phân tử hữu cơ phức tạp – nhưng vẫn có bằng chứng rõ ràng rằng hành tinh duy nhất có sự sống mà chúng ta biết được sinh ra từ một chiếc đĩa tiếp xúc nhiều với nó.
Nhóm thực hiện nghiên cứu này có thể đã tìm ra giải pháp cho câu hỏi hóc búa này. Công trình của họ dự đoán rằng sự hiện diện của CH3+ trên thực tế có liên quan đến bức xạ cực tím, cung cấp nguồn năng lượng cần thiết để CH3+ hình thành. Hơn nữa, chu kỳ bức xạ cực tím mà một số đĩa trải qua dường như có tác động sâu sắc đến tính chất hóa học của chúng. Ví dụ, các quan sát của Webb về các đĩa tiền hành tinh không chịu bức xạ cực tím mạnh từ một nguồn gần đó cho thấy lượng nước dồi dào — trái ngược với d203-506, nơi nhóm nghiên cứu hoàn toàn không thể phát hiện ra nước. Tác giả chính, Olivier Berné của Đại học Toulouse, Pháp, giải thích thêm: “Điều này cho thấy rõ ràng rằng bức xạ cực tím có thể thay đổi hoàn toàn tính chất hóa học của đĩa tiền hành tinh. Nó thực sự có thể đóng một vai trò quan trọng trong các giai đoạn hóa học ban đầu của nguồn gốc sự sống bằng cách giúp tạo ra CH3+ — thứ mà trước đây có lẽ đã bị đánh giá thấp.”
Vùng Orion Bar (Thanh trượt)
Mặc dù nghiên cứu được công bố ngay từ những năm 1970 đã dự đoán tầm quan trọng của CH3+, nhưng trước đây nó hầu như không thể phát hiện được. Nhiều phân tử trong đĩa tiền hành tinh được quan sát bằng kính viễn vọng vô tuyến. Tuy nhiên, để điều này có thể xảy ra, các phân tử được đề cập cần sở hữu cái được gọi là ‘khoảnh khắc lưỡng cực vĩnh viễn’, nghĩa là hình dạng của phân tử sao cho điện tích của nó mất cân bằng vĩnh viễn, khiến phân tử mang điện tích dương và điện tích âm ‘ kết thúc’. CH3+ đối xứng, và do đó điện tích của nó cân bằng, và do đó thiếu momen lưỡng cực vĩnh viễn cần thiết cho các quan sát bằng kính thiên văn vô tuyến. Về mặt lý thuyết, có thể quan sát các vạch quang phổ do CH3+ phát ra trong tia hồng ngoại, nhưng bầu khí quyển của Trái đất khiến những vạch này về cơ bản là không thể quan sát được từ Trái đất. Do đó, cần phải sử dụng kính viễn vọng trong không gian đủ nhạy để có thể quan sát các tín hiệu trong vùng hồng ngoại. Các công cụ NIRSpec, một phần do châu Âu đóng góp cho Webb’s, và MIRI, một nửa trong số đó do châu Âu đóng góp, là hoàn hảo cho công việc. Trên thực tế, việc phát hiện CH3+ trước đây khó nắm bắt đến mức khi nhóm lần đầu tiên nhìn thấy tín hiệu trong dữ liệu của họ, họ không chắc chắn cách xác định tín hiệu đó. Đáng chú ý, nhóm đã có thể giải thích kết quả của họ trong vòng bốn tuần ngắn ngủi, bằng cách dựa trên chuyên môn của một nhóm quốc tế với nhiều chuyên môn khác nhau.
Việc phát hiện ra CH3+ chỉ có thể thực hiện được nhờ sự hợp tác giữa các nhà thiên văn học quan sát, nhà lập mô hình hóa học thiên văn, nhà lý thuyết và nhà quang phổ thực nghiệm, những người đã kết hợp các khả năng độc đáo của JWST trong không gian với các khả năng của các phòng thí nghiệm trên Trái đất để điều tra và giải thích thành công thành phần của vũ trụ địa phương của chúng ta và tiến hóa. Marie-Aline Martin cho biết thêm: “Khám phá của chúng tôi chỉ có thể thực hiện được nhờ các nhà thiên văn học, nhà lập mô hình và nhà quang phổ học trong phòng thí nghiệm đã hợp lực để hiểu các đặc điểm độc đáo mà James Webb quan sát được”.
Các đội PDRs4ALL ERSkết quả của đã được công bố ngày hôm nay trong Thiên nhiên.
ghi chú
[1] Phân tử là hạt được tạo thành từ hai hay nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học.
[2] Một hợp chất là một phân tử bao gồm nhiều hơn một phần tử. Do đó, tất cả các hợp chất là phân tử nhưng không phải tất cả các phân tử đều là hợp chất. Ví dụ, phân tử hydro (H2) là một phân tử nhưng không phải là hợp chất, trong khi phân tử nước (H2O) cũng là một hợp chất.
[3] Hóa học hữu cơ đề cập đến hóa học của các phân tử và hợp chất dựa trên carbon. Nó cũng có thể được gọi là hóa học carbon.
[4] Ion là một nguyên tử hoặc phân tử có điện tích tổng thể, do thừa hoặc thiếu số lượng electron âm so với số lượng proton dương trong ion. Một cation là một ion có điện tích dương (do đó thiếu electron).
[5] Một phân tử hữu cơ phức tạp là một phân tử có nhiều nguyên tử carbon.
[6] Đĩa tiền hành tinh là một đĩa khí và bụi quay hình thành xung quanh các ngôi sao trẻ và từ đó các hành tinh cuối cùng có thể hình thành.
Thêm thông tin
Webb là chiếc kính viễn vọng lớn nhất, mạnh nhất từng được phóng vào vũ trụ. Theo thỏa thuận hợp tác quốc tế, ESA đã cung cấp dịch vụ phóng kính viễn vọng, sử dụng phương tiện phóng Ariane 5. Làm việc với các đối tác, ESA chịu trách nhiệm phát triển và đánh giá khả năng thích ứng của Ariane 5 cho sứ mệnh Webb và mua sắm dịch vụ phóng của Arianespace. ESA cũng cung cấp máy quang phổ NIRSpec và 50% thiết bị hồng ngoại tầm trung MIRI, được thiết kế và chế tạo bởi một tập đoàn gồm các Viện châu Âu được tài trợ quốc gia (Hiệp hội MIRI châu Âu) hợp tác với JPL và Đại học Arizona.
Webb là sự hợp tác quốc tế giữa NASA, ESA và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA).
Liên hệ:
Quan hệ truyền thông ESA
media@Khoa học