Одна из важнейших молекул во Вселенной десятилетиями скрывала своё излучение. Она лежит в основе практически всей межзвёздной химии в газовой фазе, включая образование сложных органических молекул, из которых складываются строительные блоки жизни. Она называется катионом трёхатомного водорода (H₃⁺) и настолько важна, что её часто называют «молекулой, создавшей Вселенную».
Её обнаруживали в межзвёздных облаках, и она отчасти отвечает за полярные сияния Юпитера. Однако особый вид излучения, которое она должна испускать при вращении, предсказанный ещё в 1986 году, до сих пор ускользал от всех попыток обнаружения, включая лабораторные эксперименты.
Теперь с помощью телескопа «Уэбб» группа астрономов под руководством Дэвида Нойфельда из Университета Джонса Хопкинса наконец обнаружила это неуловимое излучение, исходящее от газа за тысячи световых лет от нас. Открытие может помочь нам понять физику гигантских ударных волн, порождаемых новорождёнными звёздами, а также выяснить, что происходит с этой важнейшей молекулой среди всего этого огня и неистовства.
Чтобы понять, почему это открытие настолько удивительно, необходимо рассмотреть необычную форму самой молекулы трёхатомного водорода. Она состоит из трёх соединённых ядер водорода, между которыми распределены всего два электрона. Эти ядра образуют равносторонний треугольник, а значит, молекула не имеет постоянного дипольного момента и разрешённого спектра чисто вращательных переходов. Это означает, что при вращении молекулы её электрический заряд остаётся равномерно распределённым, без возникновения изменяющейся асимметрии, которая могла бы создавать электромагнитное излучение, обычно испускаемое молекулами при вращении.
Тем не менее в 1986 году астрофизики Фу‑Ши Пан и Такэси Ока из Чикагского университета рассчитали, что трёхатомный водород всё‑таки должен быть способен испускать очень слабое излучение при вращении. И вот в чём лазейка. При вращении молекулы центробежные силы слегка искажают её идеально симметричную форму. Это создаёт крошечный электрический дипольный момент, благодаря которому она всё же может испускать излучение. Возникающие в результате переходы настолько невероятно слабы, что считаются «запрещёнными». Не потому, что они нарушают законы физики, а потому, что они запрещены обычными правилами, определяющими молекулярное излучение.
На протяжении четырёх десятилетий это предсказание оставалось неподтверждённым. Сигнал был настолько слабым, что его не удавалось обнаружить даже в лабораторных экспериментах. Однако в работе Пана и Оки не было предсказано убийственно эффективное сочетание телескопа «Уэбб» и новорождённой звезды, закатившей настоящую истерику космических масштабов.
Объекты Хербига — Аро относятся к наиболее впечатляющим явлениям в Галактике. Они возникают в результате мощных выбросов вещества молодыми звёздами. Когда звезда формируется, она поглощает вещество, вращающееся вокруг неё. Однако не всё это вещество попадает внутрь звезды. Мощные магнитные поля помогают выбрасывать часть вещества обратно в космос в виде узконаправленных струй, движущихся со скоростью в сотни километров в секунду. Когда эти струи врезаются в окружающее молекулярное облако, они порождают огромные ударные волны, нагревающие газ до тысяч градусов и заставляющие его ярко светиться. Это довольно короткий, но важный этап жизни звезды, о котором астрономы стремятся узнать больше. Однако, поскольку он часто протекает внутри плотной туманности, из которой рождается звезда, наблюдать его бывает очень трудно.
Именно поэтому объекты Хербига — Аро представляют особый интерес для телескопа «Уэбб». Инфракрасное излучение, для наблюдения которого предназначен телескоп, проникает сквозь закрывающую обзор пыль эффективнее видимого света, позволяя заглянуть внутрь этих бурных звёздных колыбелей. Однако когда Нойфельд и его коллеги начали изучать наблюдения «Уэбба» за объектом Хербига — Аро 168, или HH 168, они заметили нечто необычное. Среди инфракрасного излучения горячего газа, нагретого ударными волнами, скрывалась серия чрезвычайно слабых спектральных линий. Их длины волн совпадали с длинами волн запрещённых вращательных переходов катиона трёхатомного водорода, рассчитанными Паном и Окой 40 лет назад.
Причём речь шла не об одной линии. Команда обнаружила 26 отдельных линий, и все они были зарегистрированы с высокой статистической достоверностью. Самая сильная из них достигала поразительного уровня значимости в 72 сигмы, практически не оставляя сомнений в достоверности обнаружения. Впервые астрономам удалось зарегистрировать излучение молекулы, которое прежде никогда не наблюдалось нигде во Вселенной. И это было не просто слабое свечение. По сравнению с тем, что впоследствии предсказывали модели исследователей, молекула буквально сияла.
Однако само наличие сигнала было лишь частью истории. Не менее интересным оказалось то, где именно он возникал среди турбулентного газа, подвергшегося воздействию ударных волн от струй молодой звезды. Его распределение точно соответствовало излучению обычного молекулярного водорода (H₂), что указывало на реакцию обеих молекул на одни и те же экстремальные условия.
Но объяснить, каким образом эти условия приводят к столь яркому излучению трёхатомного водорода, оказалось несколько сложнее. Когда исследователи попытались воспроизвести наблюдения с помощью моделей ударных волн, ни один из двух подходов не дал полностью удовлетворительного результата.
Одна модель хорошо воспроизводила излучение обычного молекулярного водорода, но недооценивала интенсивность сигнала трёхатомного водорода в пять‑шесть раз. Другая модель гораздо точнее соответствовала наблюдаемому излучению трёхатомного водорода, но опиралась на условия, выходящие за пределы диапазона, для которого её достоверность была подтверждена. Таким образом, предстоит ещё выяснить, почему излучение оказалось настолько ярким. Однако есть ещё одна деталь этой головоломки, которая позволяет предположить, что, каким бы ни был механизм происходящего, Вселенная способна воспроизводить его относительно легко.
Когда команда изучила архивные наблюдения «Уэбба» за другим объектом Хербига — Аро, HH 211, исследователи обнаружили там то же самое характерное излучение. Пан и Ока всё это время были правы. Не хватало лишь достаточно чувствительного инструмента, способного подтвердить их предсказание. А теперь сам трёхатомный водород может превратиться в инструмент, который позволит учёным лучше понять химию, превращающую простейший элемент Вселенной в захватывающую дух сложность космоса.
Комментарии 0