Le osservazioni delle nebulose planetarie hanno rivelato contenuti molecolari insoliti e sorprendenti arricchimenti di rari isotopi, sfidando entrambi i modelli chimici e la nostra attuale comprensione della nucleosintesi stellare.

Utilizzando l'Arizona Radio Observatory da 12 me telescopi submillimetrici e il telescopio IRAM da 30 m vicino a Granada, Spagna, gli astronomi dell'Università dell'Arizona hanno scoperto un inventario chimico inaspettato nelle nebulose planetarie. Questi risultati, presentato al 236° meeting dell'American Astronomical Society da Deborah Schmidt (ora allo Swarthmore College), suggeriscono che le nebulose planetarie svolgono un ruolo vitale nel fornire allo spazio interstellare materiale ricco di molecole, non solo atomi.

Ulteriore, i dati molecolari hanno rivelato insoliti arricchimenti di rari isotopi di elementi comuni come carbonio, ossigeno, e azoto, compreso 13C, 15N, e 17O. L'elevata abbondanza di questi insoliti isotopi nelle nebulose planetarie non può essere spiegata dalla nostra attuale comprensione di come muoiono la maggior parte delle stelle, suggerendo ulteriori processi, esplosioni anche violente, potrebbe verificarsi.

Le nebulose planetarie rappresentano gli ultimi sussulti di stelle morenti simili al Sole. Alla fine della loro vita, queste stelle espellono i loro strati esterni, formando un involucro brillantemente fluorescente che si espande lontano dal nucleo residuo. Questo materiale espulso si mescola con la materia a bassa densità che esiste tra le stelle, noto come mezzo interstellare, dove può in seguito essere incorporato in sistemi stellari di nuova formazione.

Il nucleo vestigiale, chiamato nana bianca, emette abbondanti quantità di radiazioni ad alta energia mentre la sua temperatura aumenta nella fase della nebulosa planetaria. Di conseguenza, si è pensato a lungo che il materiale nebulare dovesse essere di composizione elementare, con tutte le molecole rimaste dalle fasi precedenti della vita della stella che vengono distrutte dai fotoni energetici della nana bianca.

In completo contrasto con queste previsioni del modello, le osservazioni condotte da Schmidt come parte del suo lavoro di tesi presso l'Università dell'Arizona hanno portato alla luce una ricchezza di specie molecolari insolite in oltre 25 nebulose planetarie.

Questi risultati dimostrano inequivocabilmente che le molecole sono componenti importanti della composizione delle nebulose planetarie, e potrebbero successivamente "inquinare" il mezzo interstellare diffuso. Storicamente, gli astronomi hanno faticato a spiegare le abbondanze delle molecole poliatomiche osservate nel gas diffuso, poiché non c'è abbastanza materiale denso per crearli su una scala temporale realistica. Le scoperte di Schmidt et al. suggerisce una nuova soluzione per questo dilemma in corso.

Le osservazioni molecolari di queste nebulose planetarie offrono anche una visione unica delle reazioni nucleari che si sono verificate nella stella progenitrice, e gli elementi ei loro diversi nuclei che furono prodotti. Questo perché le osservazioni a lunghezze d'onda radio e millimetriche sono condotte con la massima risoluzione spettrale, consentendo di distinguere chiaramente molecole con elementi e isotopi diversi.

Schmidt e colleghi hanno scoperto che le molecole che hanno trovato indicano se la stella progenitrice fosse ricca di carbonio, Per esempio. Per di più, sono stati in grado di misurare i rapporti di abbondanza tra l'elemento principale e le sue forme più rare, come 12C/13C o 14N/15N. Tali rapporti sono noti per essere sonde sensibili dei processi che si sono verificati in profondità all'interno della stella prima che morisse, e sono stati usati come uno dei pochi "benchmark" per testare modelli stellari. Ora, per la prima volta, possono essere misurati con precisione nelle nebulose planetarie, dando una "istantanea" delle fasi finali della star.

Cosa hanno rivelato le osservazioni nelle nebulose planetarie? molto carbonio, Prima di tutto, insieme ad elevate abbondanze di 13C, e in una nebulosa, K4-47, quantità enormemente elevate di 15N e 17O, superiori a quelle osservate in qualsiasi altra parte dell'universo (Schmidt et al. 2018). Le alte concentrazioni di 13C, 15N, e 17O osservati nelle nebulose planetarie non sono stati previsti da modelli di stelle morenti.

Nello specifico, Schmidt e collaboratori suggeriscono che le stelle progenitrici di queste nebulose planetarie potrebbero aver subito un evento inaspettato mentre emettevano i loro ultimi "sussulti":un lampo di elio, in cui il carbonio caldo dal profondo della stella viene espulso sulla superficie stellare. Nella violenta esplosione che si verifica, 13C, 15N, e 17O vengono creati ed espulsi dalla stella. Un tale processo energetico può anche spiegare le insolite geometrie bipolari e multipolari tipicamente esibite dalle nebulose planetarie, dando loro la forma "a clessidra" e "a quadrifoglio".

Le stelle morenti producono anche granelli di polvere. Alcuni di questi grani si sono effettivamente fatti strada verso il nostro sistema solare, dove ricercatori come il collaboratore Thomas Zega li estraggono da meteoriti incontaminati. Gli isotopi elementari possono essere misurati in questi cosiddetti grani "presolari", fornendo una Stele di Rosetta della loro storia. Alcuni di questi grani sono stati trovati per esibire 12C/13C costantemente bassi, 14N/15N, e rapporti 16O/17O:un rompicapo per i cosmochimici, poiché questi rapporti non possono essere spiegati dai modelli normali.

In mancanza di una spiegazione migliore, è stato ipotizzato che questi grani atipici abbiano avuto origine in novae, un tipo di esplosione termonucleare che si verifica sulla superficie dei resti stellari di piccola massa nei sistemi binari. I loro rapporti insoliti, però, corrispondono a quelli trovati in K4-47, suggerendo che le nebulose planetarie sono i loro veri luoghi di nascita.

Le nebulose planetarie forniscono la maggior parte della materia trovata nello spazio interstellare, che successivamente porta a sistemi stellari come il nostro. Il lavoro di Schmidt e colleghi ha dimostrato che questi oggetti contengono molecole nascoste e isotopi elementari, invisibili nelle immagini colorate che li ritraggono. Esplorando questi nuovi, sfaccettature inaspettate delle nebulose planetarie è cruciale per la nostra comprensione della storia delle stelle e dell'evoluzione della materia che ha formato il nostro sistema solare.