ఒక యువ నక్షత్రం తన కార్బన్‌ను ఎక్కడ కాల్చేస్తుంది

మనకు తెలిసిన జీవానికి కార్బన్ వెన్నెముక: మానవ శరీరపు పొడి ద్రవ్యరాశిలో సగం కంటే ఎక్కువ. అయినా భూమిలో అది విచిత్రంగా కొరతగా ఉంది. మన గ్రహపు రాతిలో అధిక భాగం, తన ద్రవ్యరాశితో పోలిస్తే, సూర్యుడి కంటే, లేదా భూమి పుట్టిన నక్షత్రాంతర ధూళి (interstellar dust) కంటే, దాదాపు నాలుగు పరిమాణ క్రమాలు (four orders of magnitude) — పది వేల రెట్లు — తక్కువ కార్బన్‌ను కలిగి ఉంది. అతినీలలోహిత కాంతి నుంచి ఆక్సీకరణం వరకు అనేక వివరణలు ప్రతిపాదించబడ్డాయి, కానీ ఏదీ దాన్ని పూర్తిగా వివరించలేదు.

ఒక అనుమానిత కారణం వేడి. ధూళి కణాల్లోని కార్బన్ అనేక రూపాల్లో ఉంటుంది — మసి లాంటి నిరాకార కార్బన్ (amorphous carbon), హైడ్రోకార్బన్‌లు, గ్రాఫైట్ — అవి వేర్వేరు ఉష్ణోగ్రతల వద్ద విచ్ఛిన్నమవుతాయి. దాదాపు 500 కెల్విన్ల నుంచి, అంటే మసి రేఖ (soot line) నుంచి, అత్యంత అస్థిర (volatile) రూపాలు తప్పించుకుంటాయి; దాదాపు 1,200 కెల్విన్లకు చేరేసరికి, నిరాకార కార్బన్ కూడా పోతుంది. భూమి ఏర్పడిన మొదటి పది లక్షల సంవత్సరాల్లోనే ఈ వేడెక్కడం జరిగి ఉండాలని ఇంతకు ముందటి కృషి అంచనా వేసింది.

“సమయం సున్నా” వద్ద పట్టుబడిన ఒక నక్షత్రం

HOPS-68 అనేది ఓరియన్ అణు మేఘంలో (Orion molecular cloud), దాదాపు 414 పార్సెక్‌ల దూరంలో ఉన్న ఒక అతి యువ నక్షత్రం. అదే బృందం చేసిన ఒక సహచర అధ్యయనం (companion study), దాని అంతర డిస్క్ మధ్య భాగం 1,400 కెల్విన్లకు చేరుతుందని చూపించింది — ధూళి అంతా ఆవిరయ్యేంత వేడి. మన సౌర వ్యవస్థ కూడా అలాంటి దశ గుండా వెళ్లింది: అది ఉల్కల రికార్డులోని “సమయం సున్నా” (time zero), యువ సూర్యుడి దగ్గర వేడి వాయువు నుంచి కాల్షియం, అల్యూమినియం సమృద్ధిగా ఉన్న కణాలు ఘనీభవించిన క్షణం. ఆ క్షణానికి తెలిసిన అభ్యర్థులు రెండు యువ, తక్కువ ద్రవ్యరాశి నక్షత్రాలు మాత్రమే, రెండూ ఓరియన్‌లోనే.

అమెరికా, జర్మనీలలోని భాగస్వాములతో కలిసి లైడెన్ విశ్వవిద్యాలయంలో (Leiden University) పనిచేస్తున్న ఎఫ్. జె. బాలియూ (F. J. Ballieux), ఎం. కె. మెక్‌క్లూర్ (M. K. McClure), సహచరులు, JWST యొక్క మిడ్-ఇన్‌ఫ్రారెడ్ ఇన్‌స్ట్రుమెంట్ (Mid-Infrared Instrument) తీసిన దాని వర్ణపటంలోని కార్బన్‌ను, ALMA (సబ్)మిల్లీమీటర్ శ్రేణి నుంచి వచ్చిన ఆర్కైవ్ డేటాతో కలిపి, ఇప్పుడు పరిశీలించారు.

హైడ్రోకార్బన్‌లతో నిండిన ఒక వర్ణపటం

HOPS-68 కాంతిలో అనేక కార్బన్ అణువుల వేలిముద్రలు కనిపిస్తాయి:

• వెచ్చని హైడ్రోజన్ సయనైడ్, ఎసిటిలీన్, దాదాపు 320, 430 కెల్విన్ల వద్ద, పెద్ద మొత్తాల్లో — ఆ మరో “సమయం సున్నా” నక్షత్రం చుట్టూ ఉన్న దానికంటే దాదాపు 20 రెట్లు ఎక్కువ. అవి నక్షత్రంతో పోలిస్తే సెకనుకు 39 నుంచి 53 కిలోమీటర్ల వేగంతో మన వైపు కదులుతున్నాయి, డిస్క్ నుంచి వీచే ఒక గాలిని (wind blowing off the disk) సూచించే ఆక్సిజన్ కలిగిన వాయువు లాగానే;
• చల్లని అణువులు, దాదాపు 40 నుంచి 55 కెల్విన్ల వద్ద, వాటిలో డైఎసిటిలీన్ (C₄H₂), మిథైల్ రాడికల్, కార్బన్ మోనోసల్ఫైడ్ ఉన్నాయి; ఇవి బహుశా బాహ్య డిస్క్‌లో గానీ, నక్షత్రం వెలువరించే ప్రవాహం (outflow) తొలిచిన కుహరం గోడల వెంబడి గానీ ఉంటాయి;
• ట్రైఎసిటిలీన్ (C₆H₂), ఆరు కార్బన్ పరమాణువుల ఒక గొలుసు, ఒక యువ నక్షత్రం చుట్టూ మొదటిసారిగా గుర్తించబడింది.

ALMA మరో ఆధారాన్ని జోడిస్తుంది: C₂H రాడికల్ ప్రవాహ కుహరం గోడలను ఆవరించి ఉంది, లోపలికి పడకుండా జెట్‌తో పాటు బయటికి కదులుతోంది.

ఒక కార్బన్ వినాశన మండలం

రచయితలు ఒక దృశ్యాన్ని ప్రతిపాదిస్తున్నారు. మసి రేఖకూ, నిరాకార కార్బన్ కూడా ఆవిరయ్యే బిందువుకూ మధ్య — దాదాపు 500 నుంచి 1,200 కెల్విన్లు — వారు “ఉష్ణ నిరోధక కార్బన్ వినాశన మండలం” (refractory carbon destruction zone) అని పిలిచేది ఉంది: అక్కడ, ఘన కార్బన్ అంతా కణాలను వదిలి వాయువుగా మారుతుంది. HOPS-68 వద్ద, అతి వేడిగా ఉండే అంతర ప్రాంతం ఈ మండలాన్ని బయటికి నెట్టి, దాన్ని విస్తరిస్తుంది. విడుదలైన కార్బన్‌ను తర్వాత నక్షత్రం మింగేస్తుంది, లేదా డిస్క్ గాలి మోసుకుపోతుంది.

ఏ విధంగా చూసినా, రాతి గ్రహాలు ఏర్పడే ప్రాంతంలోని ధూళి తన కార్బన్‌ను కోల్పోతుంది. ఇదే ప్రక్రియ భూమి కార్బన్ లోటుకు దోహదం చేసి ఉండవచ్చని బృందం సూచిస్తోంది. గాలి నిజంగా ఎంత కార్బన్‌ను తొలగిస్తుందో ఇంకా కొలవాల్సి ఉంది.

మరింత దూరంలో, అతినీలలోహిత కాంతి ఎసిటిలీన్‌ను C₂Hగా విడగొడుతుంది; అది మరింత ఎసిటిలీన్‌తో చర్య జరిపి C₄H₂, C₆H₂ లాంటి పొడవైన గొలుసులను నిర్మిస్తుంది. 900 నుంచి 1,100 కెల్విన్ల మధ్య, వినాశన మండలం ఒక జ్వాలలో లాగా, బహుచక్రీయ సుగంధ హైడ్రోకార్బన్‌లను (polycyclic aromatic hydrocarbons) కూడా తయారుచేయవచ్చు — ఇది ఇంకా నిర్ధారించాల్సి ఉంది.

ఒక ప్రోటోస్టార్ నుంచి గ్రహశకలాల వరకు

ఈ అధ్యయనానికి రెండు విస్తృత పర్యవసానాలు ఉన్నాయి. మొదటిది, ఇతర యువ నక్షత్రాల చుట్టూ కనిపించిన కార్బన్ గొలుసులను సాధారణంగా చుట్టూ ఉన్న ఆవరణ (envelope) నుంచి లోపలికి పడే వాయువుకు ఆపాదించారు; HOPS-68 వద్ద అవి స్పష్టంగా బయటికి ప్రవహిస్తున్నాయి, అంటే ఈ రసాయన శాస్త్రం బదులుగా బహిర్ప్రవాహాలను (outflows) సూచిస్తుండవచ్చు.

రెండవది, రియుగు (Ryugu), బెన్నూ (Bennu) గ్రహశకలాల నుంచి తెచ్చిన నమూనాల్లో గొలుసు లాంటి (“అలిఫాటిక్”, aliphatic) సేంద్రియ పదార్థం సమృద్ధిగా ఉంది. HOPS-68 యొక్క పొడవైన గొలుసులు గాలికి వెలుపల ఏర్పడతాయి కాబట్టి, అవి ఎగిరిపోవు; తర్వాత అవి బాహ్య డిస్క్‌పై తిరిగి పడవచ్చు. అలాంటి గొలుసులు గ్రహశకలాలు, ఉల్కల సేంద్రియ పదార్థానికి దోహదం చేయవచ్చని రచయితలు సూచిస్తున్నారు. అదే నిజమైతే, HOPS-68 ఒకే యువ వ్యవస్థలో, ఆ ఉల్కా కణాల ఏర్పాటునూ, అవి పొదిగి ఉన్న కార్బన్ సమృద్ధ పదార్థాన్నీ చూపిస్తుంది — ఒక గ్రహ వ్యవస్థలోని మొదటి చిన్న వస్తువుల ఏర్పాటుకు ఒక రోసెట్టా రాయి (Rosetta stone).