La luce blu di una stella appena nata illumina la nebulosa a riflessione IC 2631. Questa nebulosa fa parte della regione di formazione stellare Chamaeleon, che Webb studierà per saperne di più sulla formazione dell'acqua e di altri ghiacci cosmici. Credito:Osservatorio europeo meridionale (ESO)
L'acqua è fondamentale per la vita, ma come si fa l'acqua? Preparare un po' di H2O richiede più che mescolare idrogeno e ossigeno. Richiede le condizioni speciali che si trovano nelle profondità delle nuvole molecolari gelide, dove la polvere protegge dalla luce ultravioletta distruttiva e aiuta le reazioni chimiche. Il James Webb Space Telescope della NASA scruterà questi serbatoi cosmici per ottenere nuove informazioni sull'origine e l'evoluzione dell'acqua e di altri elementi fondamentali per i pianeti abitabili.
Una nuvola molecolare è una nuvola interstellare di polvere, gas, e una varietà di molecole che vanno dall'idrogeno molecolare (H2) al complesso, organici contenenti carbonio. Le nuvole molecolari trattengono la maggior parte dell'acqua nell'universo, e fungono da vivaio per le stelle appena nate e i loro pianeti.
Dentro queste nuvole, sulle superfici di minuscoli granelli di polvere, gli atomi di idrogeno si legano all'ossigeno per formare l'acqua. Il carbonio si unisce all'idrogeno per produrre metano. L'azoto si lega all'idrogeno per creare ammoniaca. Tutte queste molecole si attaccano alla superficie dei granelli di polvere, accumulando strati di ghiaccio nel corso di milioni di anni. Il risultato è una vasta collezione di "fiocchi di neve" che vengono travolti da pianeti neonati, consegnare i materiali necessari per la vita come la conosciamo. "Se riusciamo a comprendere la complessità chimica di questi ghiacci nella nube molecolare, e come si evolvono durante la formazione di una stella e dei suoi pianeti, quindi possiamo valutare se gli elementi costitutivi della vita dovrebbero esistere in ogni sistema stellare, " ha detto Melissa McClure dell'Universiteit van Amsterdam, il principale investigatore di un progetto di ricerca per indagare sui ghiacci cosmici.
Per comprendere questi processi, uno dei progetti Discretionary Early Release Science del Direttore di Webb esaminerà una vicina regione di formazione stellare per determinare quali ghiacci sono presenti e dove. "Abbiamo in programma di utilizzare una varietà di modalità e capacità dello strumento di Webb, non solo per indagare su questa regione, ma anche per imparare come studiare al meglio i ghiacci cosmici con Webb, " ha affermato Klaus Pontoppidan dello Space Telescope Science Institute (STScI), un investigatore sul progetto di McClure. Questo progetto sfrutterà gli spettrografi ad alta risoluzione di Webb per ottenere le osservazioni più sensibili e precise a lunghezze d'onda che misurano specificamente i ghiacci. Gli spettrografi di Webb, NIRSpec e MIRI, fornirà una precisione fino a cinque volte migliore rispetto a qualsiasi precedente telescopio spaziale alle lunghezze d'onda del vicino e medio infrarosso.
In questa animazione voliamo in un disco protoplanetario che circonda una giovane stella. All'interno del disco, minuscoli granelli di polvere accumulano strati di ghiaccio per migliaia di anni. Questi fiocchi di neve cosmici vengono spazzati via formando pianeti, fornendo gli ingredienti chiave per la vita. Credito:NASA/JPL-Caltech/R. Male
Stelle infantili e culle comete
Il gruppo, guidato da McClure e dagli investigatori co-principali Adwin Boogert (Università delle Hawaii) e Harold Linnartz (Universiteit Leiden), prevede di colpire il Complesso Chamaeleon, una regione di formazione stellare visibile nel cielo meridionale. Si trova a circa 500 anni luce dalla Terra e contiene diverse centinaia di protostelle, i più antichi dei quali hanno circa 1 milione di anni. "Questa regione ha un po' di tutto quello che stiamo cercando, " disse Pontoppidan.
Il team utilizzerà i sensibili rivelatori a infrarossi di Webb per osservare le stelle dietro la nube molecolare. Come luce da quelli deboli, le stelle di fondo passano attraverso la nuvola, i ghiacci nella nuvola assorbiranno parte della luce. Osservando molte stelle di fondo sparse nel cielo, gli astronomi possono mappare i ghiacci all'interno dell'intera distesa della nube e individuare dove si formano i diversi ghiacci. Prenderanno di mira anche singole protostelle all'interno della nube stessa per apprendere come la luce ultravioletta di queste stelle nascenti promuove la creazione di molecole più complesse.
Gli astronomi esamineranno anche i luoghi di nascita dei pianeti, dischi rotanti di gas e polvere noti come dischi protoplanetari che circondano le stelle di nuova formazione. Saranno in grado di misurare la quantità e l'abbondanza relativa dei ghiacci fino a 5 miliardi di miglia dalla stella neonata, che è circa la distanza orbitale di Plutone nel nostro sistema solare.
"Le comete sono state descritte come palle di neve polverose. Almeno parte dell'acqua negli oceani della Terra probabilmente è stata prodotta dagli impatti delle comete all'inizio della storia del nostro sistema solare. Osserveremo i luoghi in cui le comete si formano intorno ad altre stelle, " ha spiegato Pontoppidan.
Questo spettro simulato dal telescopio Webb illustra i tipi di molecole che possono essere rilevate nelle regioni di formazione stellare come la Nebulosa dell'Aquila (sfondo). Credito:NASA, ESA, l'Hubble Heritage Team, e M. McClure (Universiteit van Amsterdam) e A. Boogert (Università delle Hawaii)
Esperimenti di laboratorio
Per comprendere le osservazioni di Webb, gli scienziati dovranno condurre esperimenti sulla Terra. Gli spettrografi di Webb diffonderanno la luce infrarossa in entrata in uno spettro arcobaleno. Molecole diverse assorbono la luce a determinate lunghezze d'onda, o colori, determinando linee spettrali scure. I laboratori possono misurare una varietà di sostanze per creare un database di "impronte digitali" molecolari. Quando gli astronomi vedono quelle impronte in uno spettro di Webb, possono quindi identificare la molecola o la famiglia di molecole che hanno creato le linee di assorbimento.
"Gli studi di laboratorio aiuteranno ad affrontare due questioni chiave. La prima è quali molecole sono presenti. Ma altrettanto importante, vedremo come sono arrivati i ghiacci. Come si sono formati? Ciò che troviamo con Webb aiuterà a informare i nostri modelli e ci permetterà di comprendere i meccanismi di formazione del ghiaccio a temperature molto basse, " ha spiegato Karin Öberg dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, un investigatore del progetto.
"Ci vorranno anni per estrarre completamente i dati che escono da Webb, " ha aggiunto Öberg.
Il James Webb Space Telescope sarà il principale osservatorio spaziale a infrarossi del mondo del prossimo decennio. Webb aiuterà l'umanità a risolvere i misteri del nostro sistema solare, guarda oltre a mondi lontani intorno ad altre stelle, e sondare le misteriose strutture e origini del nostro universo e il nostro posto in esso. Webb è un progetto internazionale guidato dalla NASA con i suoi partner, ESA (Agenzia spaziale europea) e CSA (Agenzia spaziale canadese).
