Крошечные мячи-молекулы в межзвёздном пространстве

С помощью космического телескопа Хаббл учёные подтвердили наличие в космосе электрически заряженных молекул в форме футбольных мячей, что может пролить свет на таинственное содержимое межзвёздной среды – состав газа и пыли, которые заполняют межзвёздное пространство.

Поскольку планеты и звёзды образуются в космосе из коллапсирующих газопылевых облаков, "диффузную межзвёздную среду можно рассматривать как отправную точку для химических процессов, которые в конечном итоге приводят к возникновению планет и жизни на них, - говорит Мартин Кординер из Американского католического университета. - Таким образом, полная идентификация её содержимого даёт информацию об ингредиентах, доступных для создания звёзд и планет".
Кординер, который сейчас работает в Центре космических полетов имени Годдарда, является ведущим автором статьи об этом исследовании, опубликованной 22 апреля в Astrophysical Journal Letters.

Молекулы, идентифицированные Кординером и его командой, представляют собой форму углерода, называемую "бакминстерфуллереном", также известную как "бакибол", которая состоит из 60 атомов углерода (C60), образующих каркас полой сферы. В редких случаях С60 находят на Земле в горных породах и минералах, а также он может образовываться в саже при высокотемпературном горении.

C60 уже был обнаружен в космосе ранее. Однако наличие его электрически заряженной (ионизированной) версии в диффузной межзвёздной среде подтвердилось впервые. C60 становится ионизированным, когда под воздействием ультрафиолетового излучения звёзд электрон отрывается от молекулы, создавая положительный заряд (C60+).
"Исторически диффузная межзвёздная среда считалась слишком суровой и разреженной средой для появления значительного количества больших молекул, - объясняет Кординер. - До обнаружения C60 самые крупные из известных молекул в космосе состояли всего из 12 атомов. Подтверждение существования C60+ в межзвёздной среде показывает, насколько сложной может быть астрохимия даже в условиях очень низкой плотности галактической среды, находящейся под воздействием мощного ультрафиолетового излучения".

Жизнь в том виде, какой мы её знаем, основана на углеродсодержащих молекулах, и это открытие показывает, что сложные молекулы углерода могут образовываться и выживать в суровых условиях межзвездного пространства.
"В некотором смысле жизнь можно рассматривать как предельную химическую сложность, - говорит Кординер. - Наличие С60 однозначно демонстрирует высокий уровень химической сложности, присущей космической среде, и указывает на высокую вероятность спонтанного возникновения в космосе других чрезвычайно сложных углеродсодержащих молекул".

Значительную часть межзвёздной среды составляют водород и гелий, но она также содержит многие соединения, которые ещё не были идентифицированы. Поскольку межзвёздное пространство находится на далеком расстоянии, учёные, чтобы определить его содержимое, исследуют его влияние на свет от далёких звезд.
При прохождении звёздного света сквозь пространство, элементы и соединения в межзвёздной среде поглощают и блокируют определенные цвета (длины волн) спектра.
Когда учёные анализируют звёздный свет, разделяя его на составляющие длины волн спектра, поглощённые цвета кажутся тусклыми или отсутствуют вовсе.
Каждый элемент или соединение имеет уникальный рисунок поглощения, который работает как отпечаток пальца, позволяя идентифицировать его. Однако некоторые паттерны поглощения межзвёздной среды охватывают более широкий спектр цветов, которые отличаются от любого известного атома или молекулы на Земле.
Эти рисунки поглощения называются диффузными межзвёздными полосами (ДМП). Их сущность так и осталась загадкой с тех пор, как они были обнаружены Мэри Ли Хегер, которая опубликовала наблюдения первых двух межзвёздных паттернов в 1922 году.

Диффузные межзвёздные полосы могут быть идентифицированы путём нахождения точного совпадения со спектром поглощения веществ в лаборатории. Тем не менее, существуют миллионы различных молекулярных структур, и, чтобы проверить их все, потребуется много жизней.

"На сегодняшний день известно более 400 паттернов ДМП, но (за исключением немногих, недавно приписанных C60+), ни один из них не был окончательно идентифицирован, - сообщает Кординер. - В целом картина ДМП указывает на присутствие в космосе большого количества богатых углеродом молекул, и некоторые из них могут в конечном итоге участвовать в химических процессах, дающих начало жизни. Однако состав и характеристики этих веществ будут оставаться неизвестными до тех пор, пока не будут расшифрованы остальные паттерны ДМП".

До исследований, связанных с C60+, учёные в течение десятилетий лабораторных исследований не могли найти точного соответствия ни с одним паттерном ДМП.
В новой работе команда смогла сопоставить схему поглощения C60+, наблюдаемую в лаборатории, с наблюдениями Хабблом межзвёздной среды, использовав результаты работы, недавно выполненной группой учёных из Университета Базеля (Швейцария), лабораторные исследования которой обеспечили необходимыми сравнительными данными относительно C60+.
Основная проблема обнаружения C60+ с помощью обычных наземных телескопов состоит в том, что атмосферный водяной пар блокирует картину его поглощения. Однако, находясь на орбите над большей частью земной атмосферы, космический телескоп Хаббл имеет чёткий и беспрепятственный обзор.
Тем не менее, учёным пришлось выжать из Хаббла буквально все его возможности и пытаться использовать телескоп далеко за пределами его обычной чувствительности, чтобы иметь шанс обнаружить слабые следы C60+.

Все наблюдаемые звёзды являются голубыми сверхгигантами, расположенными в плоскости нашей Галактики. Межзвездное вещество Млечного Пути размещается главным образом в относительно плоском диске, поэтому линии обзора звёзд в галактической плоскости проходят сквозь наибольшее количество межзвёздного вещества, и потому показывают самые сильные характеристики поглощения от межзвездных молекул.

Обнаружение C60+ в диффузной межзвёздной среде подтверждает ожидания команды учёных относительно того, что очень большие углеродсодержащие молекулы являются вероятными кандидатами для объяснения многих оставшихся неопознанными паттернов ДМП. Последующие лабораторные исследования и анализ характеристик поглощения соединений, связанных с C60+, помогут идентифицировать некоторые из оставшихся паттернов.

Команда стремится обнаружить C60+ в большем объёме межзвёздных сред, чтобы определить, насколько обширно распространение бакиболов во Вселенной. По словам Кординера, если исходить из произведённых наблюдений, очень похоже, что C60+ довольно широко распространён в нашей Галактике.



Источник: https:// www.nasa.gov/ feature/ goddard/ 2019/ soccer-balls-in-space/