เมทานอลชนิดหนักช่วยอ่านเคมีรอบดาวเกิดใหม่ได้อย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

ดาวที่เพิ่งเริ่มก่อตัวซ่อนอยู่หลังก๊าซและฝุ่นหนาแน่น นักดาราศาสตร์จึงไม่ได้รอถ่ายภาพเห็นสารแต่ละชนิดด้วยตาเปล่า พวกเขาอ่านเส้นสัญญาณที่โมเลกุลปล่อยออกมาในย่านคลื่นวิทยุ แล้วเทียบกับลายเซ็นที่วัดได้ในห้องทดลอง

โครงการ COMPASS ใช้กล้องโทรทรรศน์ ALMA สำรวจบริเวณรอบดาวต้นกำเนิดมวลใกล้ดวงอาทิตย์ 11 ระบบ เพื่อเปรียบเทียบว่าคลังโมเลกุลรอบดาวเปลี่ยนไปตามสภาพแวดล้อมและช่วงการก่อตัวอย่างไร การสำรวจครอบคลุมย่านความถี่ 279.0–311.7 กิกะเฮิรตซ์ และมองรายละเอียดในบริเวณใกล้ดาวระดับขนาดระบบสุริยะ

ผลที่ชวนจับตาคือ การพบเมทานอลรูปแบบ CD₃OD รอบดาวต้นกำเนิดชื่อ IRAS 4A2 ในกลุ่มเมฆเพอร์ซิอุส ห่างจากโลกประมาณ 1,000 ปีแสง งานวิจัยรายงานว่านี่เป็นการตรวจพบเมทานอลที่ดิวเทอเรียมแทนไฮโดรเจนครบทุกตำแหน่งเป็นครั้งแรกในสสารระหว่างดาว

คำว่า “ชนิดหนัก” หมายถึงองค์ประกอบของอะตอม ไม่ได้หมายถึงเมทานอลก้อนใหญ่ขึ้น ไฮโดรเจนปกติมีนิวเคลียสที่มีโปรตอนหนึ่งตัว ส่วนดิวเทอเรียมมีโปรตอนหนึ่งตัวกับนิวตรอนเพิ่มอีกหนึ่งตัว เมทานอลสูตร CH₃OH มีตำแหน่งไฮโดรเจนทั้งหมดสี่ตำแหน่ง เมื่อแทนที่ครบจึงเขียนเป็น CD₃OD

ลายของไอโซโทปช่วยให้นักดาราศาสตร์ย้อนถามได้ว่าโมเลกุลก่อตัวภายใต้สภาพแบบไหน การมีดิวเทอเรียมมากน้อยต่างกันสัมพันธ์กับปฏิกิริยาในบริเวณที่เย็นจัดและประวัติของน้ำแข็งบนเม็ดฝุ่น แต่สัดส่วนเหล่านี้ไม่ใช่นาฬิกาที่บอกอายุของดาวได้ตรง ๆ และต้องอ่านร่วมกับข้อมูลโมเลกุลชนิดอื่น

ALMA ตรวจลายเซ็นเหล่านี้จากหลายเส้นสเปกตรัม ไม่ได้ถ่ายภาพเห็นอะตอมดิวเทอเรียมเป็นจุด นักวิจัยคำนวณว่าเส้นใดตรงกับระดับพลังงานของ CD₃OD แล้วทดสอบว่าลายเส้นนั้นอธิบายด้วยโมเลกุลอื่นที่อยู่ในบริเวณเดียวกันได้หรือไม่ วิธีนี้คล้ายจำแนกเสียงจากโน้ตหลายตัว แทนการดูรูปร่างของแหล่งกำเนิดโดยตรง

บริเวณที่ตรวจพบเป็นแก๊สร้อนรอบดาวอ่อนวัย ซึ่งน้ำแข็งบนเม็ดฝุ่นได้ระเหิดกลับเป็นแก๊สแล้ว งานของทีมจึงใช้สัญญาณในแก๊สเป็นร่องรอยของเคมีที่เกิดก่อนหน้านั้น และชี้ว่าปฏิกิริยาบนผิวเม็ดฝุ่นเคลือบน้ำแข็งอาจสร้างรูปแบบโมเลกุลหายากได้ตั้งแต่ดาวกับดาวเคราะห์ยังไม่ก่อตัวสมบูรณ์

ข้อจำกัดสำคัญคือการพบ CD₃OD มาจาก IRAS 4A2 เพียงระบบเดียวในกลุ่มตัวอย่าง 11 ระบบ จึงยังสรุปไม่ได้ว่าดาวคล้ายดวงอาทิตย์ทุกดวงมีเมทานอลชนิดนี้เหมือนกัน ที่สำคัญ แบบจำลองเคมีปัจจุบันยังอธิบายรูปแบบดิวเทอเรียมที่วัดได้ไม่ครบ นี่จึงเป็นเบาะแสให้ปรับความเข้าใจเรื่องปฏิกิริยาบนฝุ่น มากกว่าจะเป็นคำตอบสุดท้าย

การพบโมเลกุลนี้ไม่ใช่หลักฐานว่ามีสิ่งมีชีวิตอยู่รอบดาว เมทานอลเป็นโมเลกุลคาร์บอนขนาดเล็ก สิ่งที่ผลสำรวจบอกได้คือวัตถุดิบทางเคมีบางชนิดเกิดขึ้นในช่วงต้นของการสร้างดาว และอาจถูกส่งต่อเข้าสู่วัตถุที่ก่อตัวภายหลัง นักดาราศาสตร์ยังต้องเปรียบเทียบดาวอีกหลายระบบเพื่อดูว่าร่องรอยเดียวกันพบได้บ่อยเพียงใด