Fosfor is een cruciaal element voor het leven zoals we dat kennen, als een van de bouwstenen van ons DNA. Maar hoe het op Aarde terecht is gekomen blijft een raadsel. Een internationaal team van astronomen, waaronder Floris van der Tak (SRON/RuG), heeft nu de reis van fosfor in kaart gebracht vanaf stervormingsgebieden tot kometen. Daarvoor gebruikten ze een combinatie van de ALMA-telescoop en de satelliet Rosetta. Hun onderzoek laat voor het eerst zien waar moleculen die fosfor bevatten vormen en hoe het element in kometen wordt meegevoerd.

Met het vermogen van ALMA om een gedetailleerd inkijkje te geven in het stervormingsgebied AFGL 5142 konden de astronomen aanwijzen waar fosfor-dragende moleculen vormen, zoals fosformonoxide. Nieuwe sterren en planeten ontstaan in gas en stof tussen de sterren, wat deze interstellaire wolken tot de ideale plekken maakt om de zoektocht te starten naar de bouwstenen van leven.

De waarnemingen met ALMA laten zien dat fosfor-dragende moleculen ontstaan als zware sterren worden geboren. Gasstromen vanuit jonge zware sterren creëren holtes binnen de interstellaire wolken. Moleculen die fosfor bevatten vormen aan de randen van die holtes, door een combinatie van schokgolven en straling vanuit de babyster. De astronomen hebben ook aangetoond dat fosformonoxide daar het meest voorkomende fosfordragende molecuul is.

Vervolgens richtte het team haar blik op een object in ons eigen Zonnestelsel: de inmiddels beroemde komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Het idee was om het spoor van fosformonoxide te volgen. Als de randen van een holte instorten om een ster te vormen, vooral bij een lichtere variant zoals onze Zon, kan fosformonoxide bevriezen en ingevangen raken in de ijzige stofkorrels die overblijven rondom de nieuwe ster. Al voordat de ster compleet is gevormd, klonteren die stofkorrels samen in stenen, rotsblokken en uiteindelijk kometen, die zo de vervoerders worden van fosformonoxide.

De Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis (ROSINA) verzamelde twee jaar lang data over 67P toen Rosetta rond de komeet cirkelde. Astronomen hadden eerder al een hint van fosfor gevonden in de ROSINA-data, maar ze wisten niet welk molecuul het ernaartoe had getransporteerd. Kathrin Altwegg, de Principal Investigator van ROSINA, kreeg een vermoeden over welk molecuul dit kon zijn toen ze op een conferentie werd benaderd door een sterrenkundige die stervormingsgebieden onderzoekt met ALMA: ‘Ze zei dat fosformonoxide een erg waarschijnlijke kandidaat zou zijn, dus ik bekeek onze data nog eens en daar zat het inderdaad in verborgen!’

Publicatie in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Het team bestaat uit V. M. Rivilla (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florence, Italy [INAF-OAA]), M. N. Drozdovskaya (Center for Space and Habitability, University of Bern, Switzerland [CSH]), K. Altwegg (Physikalisches Institut, University of Bern, Switzerland), P. Caselli (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany), M. T. Beltrán (INAF-OAA), F. Fontani (INAF-OAA), F.F.S. van der Tak (SRON Netherlands Institute for Space Research, and Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, The Netherlands), R. Cesaroni (INAF-OAA), A. Vasyunin (Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia, and Ventspils University of Applied Sciences, Latvia), M. Rubin (CSH), F. Lique (LOMC-UMR, CNRS–Université du Havre), S. Marinakis (University of East London, and Queen Mary University of London, UK), L. Testi (INAF-OAA, ESO Garching, and Excellence Cluster “Universe”, Germany), and the ROSINA team (H. Balsiger, J. J. Berthelier, J. De Keyser, B. Fiethe, S. A. Fuselier, S. Gasc, T. I. Gombosi, T. Sémon, C. -y. Tzou).

Astronomers Reveal Interstellar Thread of One of Life’s Building Blocks

Phosphorus, present in our DNA and cell membranes, is an essential element for life as we know it. But how it arrived on the early Earth is something of a mystery. An international group of astronomers, including Floris van der Tak (SRON/RuG) have now traced the journey of phosphorus from star-forming regions to comets using the combined powers of ALMA and the European Space Agency’s probe Rosetta. Their research shows, for the first time, where molecules containing phosphorus form, how this element is carried in comets, and how a particular molecule may have played a crucial role in starting life on our planet.

With the power of ALMA, which allowed a detailed look into the star-forming region AFGL 5142, astronomers could pinpoint where phosphorus-bearing molecules, like phosphorus monoxide, form. New stars and planetary systems arise in cloud-like regions of gas and dust in between stars, making these interstellar clouds the ideal places to start the search for life’s building blocks.

The ALMA observations showed that phosphorus-bearing molecules are created as massive stars are formed. Flows of gas from young massive stars open up cavities in interstellar clouds. Molecules containing phosphorus form on the cavity walls, through the combined action of shocks and radiation from the infant star. The astronomers have also shown that phosphorus monoxide is the most abundant phosphorus-bearing molecule in the cavity walls.

After searching for this molecule in star-forming regions with ALMA, the European team moved on to a Solar System object: the now-famous comet 67P/Churyumov–Gerasimenko. The idea was to follow the trail of these phosphorus-bearing compounds. If the cavity walls collapse to form a star, particularly a less-massive one like the Sun, phosphorus monoxide can freeze out and get trapped in the icy dust grains that remain around the new star. Even before the star is fully formed, those dust grains come together to form pebbles, rocks and ultimately comets, which become transporters of phosphorus monoxide.

ROSINA, which stands for Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis, collected data from 67P for two years as Rosetta orbited the comet. Astronomers had found hints of phosphorus in the ROSINA data before, but they did not know what molecule had carried it there. Kathrin Altwegg, the Principal Investigator for Rosina and an author in the new study, got a clue about what this molecule could be after being approached at a conference by an astronomer studying star-forming regions with ALMA: “She said that phosphorus monoxide would be a very likely candidate, so I went back to our data and there it was!”

This research was presented in a paper to appear in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
The team is composed of V. M. Rivilla (INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florence, Italy [INAF-OAA]), M. N. Drozdovskaya (Center for Space and Habitability, University of Bern, Switzerland [CSH]), K. Altwegg (Physikalisches Institut, University of Bern, Switzerland), P. Caselli (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany), M. T. Beltrán (INAF-OAA), F. Fontani (INAF-OAA), F.F.S. van der Tak (SRON Netherlands Institute for Space Research, and Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen, The Netherlands), R. Cesaroni (INAF-OAA), A. Vasyunin (Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia, and Ventspils University of Applied Sciences, Latvia), M. Rubin (CSH), F. Lique (LOMC-UMR, CNRS–Université du Havre), S. Marinakis (University of East London, and Queen Mary University of London, UK), L. Testi (INAF-OAA, ESO Garching, and Excellence Cluster “Universe”, Germany), and the ROSINA team (H. Balsiger, J. J. Berthelier, J. De Keyser, B. Fiethe, S. A. Fuselier, S. Gasc, T. I. Gombosi, T. Sémon, C. -y. Tzou).