Rezultaty jego obserwacji podtrzymują hipotezę, że w gęstej i masywnej mgławicy, z której mógł uformować się nasz Układ Słoneczny, istniały dwa odrębne obszary o dużej zawartości azotu.

Artykuł napisał Michał Kruk.

Zespół astronomów prowadzony przez Yoshiharu Shinnaka i Hideyo Kawakita z uniwersytetu w Kioto obserwował kometę ISON podczas jej spektakularnego rozpadu w połowie grudnia 2013 roku. Spektrograf o wysokiej rozdzielczości wykrył dwa rodzaje grup aminowych: ¹⁴NH₂ oraz ¹⁵NH₂. Po raz pierwszy naukowcy donieśli o tak wiarygodnej detekcji stosunkowo rzadkiego izotopu azotu ¹⁵N w pojedynczej komecie oraz zmierzyli dużą ilość dwóch różnych form tego pierwiastka. Azot ¹⁴N posiada w swoim jądrze o jeden neutron więcej niż zwyczajny azot ¹⁴N (obecny np. w naszej atmosferze). To wspiera hipotezę, jakoby w mgławicy, z której wyłonił się nasz Układ Słoneczny, istniały dwa oddzielne rezerwuary pierwiastka, który zajmuje siódme miejsce w tablicy Mendelejewa.

Dlaczego naukowcy zdobywają informacje na temat historii powstania naszego Układu Słonecznego poprzez badanie komet? Komety są dość niewielkimi obiektami, zbudowanymi głównie z lodu (woda, amoniak, dwutlenek węgla, metan, cyjanowodór) i pyłów, które uformowały się 4,6 mld lat temu w obłoku molekularnym, kiedy Układ Słoneczny był w początkowym stadium rozwoju. Ciała te przez większość czasu znajdują się na jego peryferiach w Pasie Kuipera i Obłoku Oorta, a duża średnia odległość od Słońca powoduje, że ulegają one powolnym zmianom, prawdopodobnie więc przechowują wiele informacji na temat fizycznego i chemicznego stanu młodego Układu Słonecznego. Różny skład izotopowy cząsteczek tego samego związku oraz stosunek ich wzajemnych ilości dostarczają informacji na temat źródła azotu w naszym układzie planetarnym. Czy pierwiastek ten pochodzi bezpośrednio z młodego Słońca? A może z innych, dalszych rejonów mgławicy słonecznej? W dodatku naukowcy nie wiedzą jeszcze, skąd w składzie ISON wzięły się dwa różne izotopy azotu, mało tego – w różnych ilościach. Być może amoniak, który się tam znajdował, wyjaśni sprawę?

Amoniak odgrywa bardzo istotną rolę, ponieważ większa część atomów obydwu izotopów azotu w komecie wchodzi w skład cząsteczek tego związku. Dlatego też wyjaśnienie jego pochodzenia przełoży się bezpośrednio na zrozumienie obecności rzadkiego izotopu ¹⁵N.

Okazuje się jednak, że bezpośrednie wykrycie amoniaku jest bardzo trudne. Istnieje jedynie kilka doniesień o detekcjach tego związku, które są źródłem wiarygodnych danych. Dlatego też zespół skupił się na analizie znacznie prostszego do obserwacji NH₂, powstającego w wyniku rozpadu cząsteczek amoniaku. Z powodu relatywnie niewielkiej odległości komety od Słońca odparowywał on z niej, stając się częścią warkocza. Na szczęście wartość stosunku masowego izotopów wchodzących w skład NH₂ jest bardzo bliska takiemu stosunkowi dla amoniaku. Warto wspomnieć, że ISON była tzw. kometą muskającą Słońce. Peryhelia takich komet znajdują się ekstremalnie blisko powierzchni Słońca. Dlatego w etapie ruchu po swojej orbicie, w którym komety znajdują się blisko Słońca, parują bardzo intensywnie, co znacznie, w porównaniu do innych komet, ułatwia naukowcom zbadanie jej składu poprzez badanie substancji przechodzących do warkocza.

Naukowcy obserwowali kometę 15 i 16 grudnia, kiedy to przelatując blisko Słońca kończyła swój żywot, ulegając rozpadowi, który rozpoczął się już 14-tego. Ustalono, że stosunek mas izotopów azotu ¹⁴N/¹⁵N jest równy 139 ± 38, co jest zgodne ze średnią wartości tych stosunków dla 12 innych komet (ok. 130). Innymi słowy kometa ISON była typowa pod względem wartości ¹⁴N/¹⁵N.

Te odkrycia wspierają hipotezę, że w mgławicy słonecznej istniały dwa źródła azotu. W pierwszym, w którym substancje ze względu na stosunkową bliskość Słońca były w stanie lotnym, początkowo ¹⁴N/¹⁵N = 441 ± 5. W drugim, wśród prawdopodobnie substancji w stanie stałym, w bardziej odległych od Słońca partiach mgławicy, taki stosunek wynosił ok. 150. Czyli właśnie mniej więcej tyle co dla komet. Wielkość tę porównano z jej wartością dla materii międzygwiazdowej. Okazało się, że dla cząsteczek cyjanowodoru jej wartość jest podobna do tej z komet (ok. 150), natomiast wśród atomów azotu budujących amoniak – inna.

NAOJ

Porównanie stosunku masowego izotopów azotu uzyskanego po zbadaniu substancji z komet (po lewej) i materii międzygwiazdowej (po prawej). Niebieska linia pokazuje wartość tego stosunku dla ziemskiej atmosfery, podczas gdy żółta – dla mgławicy przed powstaniem w niej Słońca w pobliżu centrum.

To może oznaczać, że amoniak pochodzi z obszaru o niskiej temperaturze, z dala od centrum mgławicy. Eksperymenty laboratoryjne potwierdzają, że rozmaite związki chemiczne w niskiej temperaturze są w stanie powstawać i osadzać się na powierzchni pyłów. Jeśli amoniak z komety formował się w taki sposób, oznacza to, że jej jądro może zawierać związki niezbędne do powstania życia, bynajmniej nie tylko amoniak. Jeśli okaże się to prawdą, będziemy mieć argument przemawiający za tym, że związki, z których powstały pierwsze formy życia, mogły pochodzić z komety.

W przyszłości zespół chce zmierzyć stosunek izotopów azotu dla większej liczby komet. Pragną oni zbadać pochodzenie ISON oraz mechanizmy, w wyniku których rozpadła się, tak aby lepiej zrozumieć powstanie i ewolucję naszego Układu Słonecznego. Być może aminy, które składały się na związki niezbędne do powstania życia, pochodzą właśnie z takich komet jak ISON.