Una collaborazione internazionale di scienziati che utilizzano l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ha completato la più ampia mappatura della composizione chimica dei dischi protoplanetari intorno a cinque giovani stelle vicine ad alta risoluzione, producendo immagini che catturano la composizione molecolare associata alle nascite planetarie, e una tabella di marcia per studi futuri sulla composizione delle regioni in cui si formano i pianeti e le comete. Il nuovo studio svela indizi sul ruolo delle molecole nella formazione del sistema planetario, e se questi giovani sistemi planetari in divenire hanno le carte in regola per ospitare la vita. I risultati del programma, opportunamente chiamato MAPPE, o Molecole con ALMA a scale di formazione di pianeti, apparirà in una prossima edizione speciale di 20 fogli del Supplemento al giornale di astrofisica serie.

I pianeti si formano nei dischi di polvere e gas chiamati dischi protoplanetari che circondano le giovani stelle. La composizione chimica di questi dischi può avere un impatto sui pianeti stessi, compreso come e dove si verifica la formazione planetaria, la composizione chimica dei pianeti, e se quei pianeti hanno la composizione organica necessaria per sostenere la vita. MAPS ha esaminato specificamente i dischi protoplanetari che circondano le giovani stelle IM Lup, GM Aur, COME 209, 163296, e MWC 480, dove sono già state rilevate prove della formazione di pianeti in corso. Il progetto ha portato a molteplici scoperte entusiasmanti, compreso un legame tra polvere e sottostrutture chimiche e la presenza di grandi serbatoi di molecole organiche nelle regioni del disco interno delle stelle.

"Con ALMA siamo stati in grado di vedere come le molecole sono distribuite dove gli esopianeti si stanno attualmente assemblando, " ha detto Karin Öberg, un astronomo al Centro di Astrofisica | Harvard &Smithsonian (CfA) e Principal Investigator per MAPS. "Una delle cose davvero entusiasmanti che abbiamo visto è che i dischi che formano pianeti attorno a queste cinque giovani stelle sono fabbriche di una classe speciale di molecole organiche, cosiddetti nitrili, che sono implicati nelle origini della vita qui sulla Terra."

Molecole organiche semplici come HCN, C2H, e H2CO sono stati osservati durante tutto il progetto con dettagli senza precedenti, grazie alla sensibilità e al potere risolutivo dei ricevitori Band 3 e Band 6 di ALMA. "In particolare, siamo stati in grado di osservare la quantità di piccole molecole organiche nelle regioni interne dei dischi, dove i pianeti rocciosi si stanno probabilmente radunando, " ha detto Viviana V. Guzmán, un astronomo dell'Instituto de Astrofísica della Pontificia Universidad Católica de Chile, autore principale di MAPS VI e co-Principal Investigator di MAPS. "Stiamo scoprendo che il nostro sistema solare non è particolarmente unico, e che altri sistemi planetari intorno ad altre stelle hanno abbastanza degli ingredienti di base per formare gli elementi costitutivi della vita".

Gli scienziati hanno anche osservato molecole organiche più complesse come HC3N, CH3CN, e c-C3H2, in particolare quelli contenenti carbonio, e quindi è molto probabile che agisca come materia prima di grandi, molecole prebiotiche. Sebbene queste molecole siano state rilevate in precedenza in dischi protoplanetari, MAPS è il primo studio sistematico su più dischi ad altissima risoluzione spaziale e sensibilità, e il primo studio per trovare le molecole su piccola scala e in quantità così significative. "Abbiamo trovato più grandi molecole organiche del previsto, un fattore da 10 a 100 in più, situato nei dischi interni su scale del sistema solare, e la loro chimica appare simile a quella delle comete del sistema solare, " ha detto John Ilee, un astronomo presso l'Università di Leeds e l'autore principale di MAPS IX. "La presenza di queste grandi molecole organiche è significativa perché sono il trampolino di lancio tra molecole a base di carbonio più semplici come il monossido di carbonio, che si trova in abbondanza nello spazio, e le molecole più complesse necessarie per creare e sostenere la vita."

Le molecole non sono distribuite uniformemente tra i dischi che formano i pianeti, però, come evidenziato nelle MAPPE III e IV, che ha rivelato che mentre le composizioni generali del disco sembrano essere simili al sistema solare, lo zoom ad alta risoluzione rivela una certa diversità nella composizione che potrebbe portare a differenze da un pianeta all'altro. "Il gas molecolare nei dischi protoplanetari si trova spesso in insiemi di anelli e spazi vuoti distinti, " disse Charles Law, Astronomo CfA e autore principale di MAPPE III e IV. "Ma lo stesso disco osservato in diverse righe di emissione molecolare spesso sembra completamente diverso, con ogni disco avente più facce molecolari. Ciò significa anche che i pianeti in dischi diversi o anche nello stesso disco in posizioni diverse possono formarsi in ambienti chimici radicalmente diversi." Ciò significa che alcuni pianeti si formano con gli strumenti necessari per costruire e sostenere la vita mentre altri pianeti vicini potrebbero no.

Uno di quegli ambienti radicalmente diversi si trova nello spazio che circonda i pianeti simili a Giove, dove gli scienziati hanno scoperto che il gas è povero di carbonio, ossigeno, ed elementi più pesanti, pur essendo ricco di idrocarburi, come il metano. "La chimica che si vede nei dischi protoplanetari dovrebbe essere ereditata dalla formazione di pianeti, " disse Arthur Bosman, un astronomo presso l'Università del Michigan e autore principale di MAPS VII. "I nostri risultati suggeriscono che molti giganti gassosi possono formarsi con atmosfere estremamente povere di ossigeno (ricche di carbonio), sfidando le attuali aspettative sulla composizione dei pianeti".

presi tutti insieme, MAPS fornisce esattamente questo:una mappa da seguire per gli scienziati, collegando i punti tra il gas e la polvere in un disco protoplanetario e i pianeti che alla fine si formano da essi per creare un sistema planetario. "La composizione di un pianeta è una registrazione della posizione nel disco in cui si è formato, " ha detto Bosman. "Collegare il pianeta e la composizione del disco ci consente di scrutare la storia di un pianeta e ci aiuta a comprendere le forze che lo hanno formato".

Joe Pesce, astronomo e responsabile del programma ALMA presso la National Science Foundation (NSF), afferma:"Se la vita esiste oltre la Terra è una delle domande fondamentali dell'umanità. Ora sappiamo che i pianeti si trovano ovunque, e il passo successivo è determinare se hanno le condizioni necessarie per la vita come la conosciamo (e quanto potrebbe essere comune tale situazione). Il programma MAPS ci aiuterà a rispondere meglio a queste domande. La ricerca di ALMA di precursori della vita lontano dalla Terra integra gli studi condotti in laboratori, e in luoghi come le bocche idrotermali sulla Terra."

Öberg dice, "MAPS è il culmine di decenni di lavoro sulla chimica dei dischi che formano i pianeti da parte di scienziati che utilizzano ALMA e i suoi precursori. Sebbene MAPS abbia esaminato solo cinque dischi in questo momento, non avevamo idea di quanto fossero chimicamente complessi e visivamente sbalorditivi questi dischi fino ad ora. MAPS ha prima risposto a domande che non avremmo potuto immaginare di fare decenni fa, e ci ha anche presentato molte altre domande a cui rispondere."