Написано Хейгеном Уорреном, 28 июня 2023 года
Первоисточник
Изображение туманности Ориона, сделанное Уэббом. Предоставлено: ЕКА / Уэбб / НАСА / CSA / М. Замани (ESA / Webb) / PDRs4All ERS Team
Благодаря новым данным, собранным совместным космическим телескопом Джеймса Уэбба NASA / Европейского космического агентства / Канадского космического агентства, международная группа ученых впервые в истории обнаружила важное углеродное соединение в протопланетном диске звезды, расположенной в туманности Ориона. Молекула, называемая метилкатионом (CH3 +), совершенно уникальна. Углеродсодержащие молекулы не так эффективно реагирует с водородом, но могут реагировать с другими распространенными молекулами. Эта реакция позволяет создавать и поддерживать более сложные молекулы на основе углерода, похожие на жизнь.
Потенциальное значение CH3 + во всеобщей химии углерода предсказывалось учеными с 1970-х годов. Однако до официального начала работы Webb в 2022 году все телескопы до и после этого не могли обнаружить молекулу во Вселенной. Невероятно чувствительный набор инфракрасных приборов Webb позволил команде, возглавляемой Оливье Берне из Французского национального центра научных исследований в Тулузе, обнаружить углеродное соединение.
Расположенный примерно в 1350 световых годах от нас в туманности Ориона протопланетный диск d203-506 был в центре наблюдений Уэбба и исследований Берне и др. Webb наблюдал туманность с помощью своей камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI). Хотя это была всего лишь спецификация в обширной области циркулирующего газа, пыли, горных минералов и других космических материалов, команда смогла идентифицировать и проанализировать данные Webb d203-506, чтобы обнаружить CH3 + в диске.
Аннотированный рисунок изображения туманности Ориона Вебба, на котором изображен d203-506. (Фото: ESA / Webb / NASA / CSA / М. Замани (ESA / Webb) / команда PDRs4All ERS)
Известно, что соединения углерода составляют основу всех форм жизни на Земле. Без углерода жизнь и многие другие жизненно важные процессы в окружающей среде были бы невозможны. Из-за их важности для жизни и ее формирования ученые постоянно ищут во Вселенной различные признаки и формы углерода — область, известная как межзвездная органическая химия. Ученые, которые ищут углерод во Вселенной, обычно ищут углеродсодержащие молекулярные ионы, поскольку они могут вступать в реакцию с множеством других элементов и молекул, образуя более сложные структуры.
СН3 + является одним из этих молекулярных соединений углерода, которое способно вступать в реакцию с другими элементами / молекулами и образовывать сложные структуры. В течение нескольких десятилетий ученые искали эту молекулу по всей Вселенной из-за ее важности в формировании сложных структур и форм жизни. СН3 + долгое время называли «краеугольным камнем межзвездной органической химии».
Однако, как можно обнаружить соединения углерода в протопланетном диске на расстоянии нескольких тысяч световых лет?
Пытаясь наблюдать молекулярные соединения в протопланетных дисках, ученые обычно используют радиотелескопы и пытаются обнаружить «идеальный дипольный момент» молекулы — молекулярную характеристику, которая означает, что электрический заряд молекулы постоянно находится в дисбалансе из-за ее геометрии (это придает молекуле положительный и отрицательный «конец»). Учитывая, что молекула СН3 + идеально сбалансирована, она не обладает идеальным дипольным моментом и, следовательно, не может быть обнаружена с помощью традиционных радиотелескопов. Вместо этого ученые пытаются обнаружить спектроскопические линии, которые CH3 + излучает в инфракрасном диапазоне. Поскольку атмосфера Земли будет мешать инфракрасным наблюдениям, потребуется космический инфракрасный телескоп.
Изображение MIRI расположения d203-506 (в центре) в туманности Ориона. (Фото: ESA / Webb / NASA / CSA / М. Замани (ESA / Webb) / команда PDRs4All ERS)
Когда Webb — новейший космический инфракрасный телескоп - официально начал научную деятельность в середине 2022 года, использование революционного телескопа для обнаружения CH3 + было первым в списках дел многих ученых. Огромная чувствительность Webb в ближней инфракрасной и средней инфракрасной областям электромагнитного спектра позволяет ему видеть молекулы и структуры, которые обычно скрыты от глаз приборов видимого и рентгеновского телескопов. Кроме того, невероятный размер Webb и массивное зеркало позволяют ему видеть больше Вселенной, чем любому другому телескопу, который был до него. Эти качества сделали Webb идеальным инструментом для обнаружения CH3 +.
Хотя ученые ожидали, что Webb в конечном итоге обнаружит CH3 +, многие были шокированы тем, что телескоп и Берне с соавторами обнаружили его так быстро, как они это сделали (у Webb все еще в разгаре первый год научных наблюдений). Фактически, Берне и др. всего четыре недели потребовалось для интерпретации сигнала CH3 +, который они даже не знали, как идентифицировать, когда увидели его впервые.
«Это обнаружение CH3 + не только подтверждает невероятную чувствительность Джеймса Уэбба, но и подтверждает постулируемую центральную важность CH3 + в межзвездной химии», - сказала спектроскопист и соавтор Мари-Алин Мартин из Университета Париж-Сакле во Франции.
Учитывая возраст и местоположение протопланетного диска в туманности Ориона, d203-506, которая расположена вокруг небольшого красного карлика, постоянно подвергается бомбардировке сильным ультрафиолетовым излучением от окружающих молодых звезд. Многие ученые в настоящее время считают, что большинство звездных систем испытывают этот период интенсивного воздействия ультрафиолетового излучения.
Интересно, однако, что предыдущие данные свидетельствуют о том, что ультрафиолетовое излучение может уничтожать соединения, необходимые для формирования сложных структур. Однако CH3+ — молекула, способная создавать сложные структуры, — была обнаружена в протопланетном диске, который постоянно подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. Что здесь происходит?
В своем исследовании Берне и др. объясняют, что для существования CH3 + может потребоваться ультрафиолетовое излучение. Если это правда, ультрафиолетовое излучение служило бы источником энергии для CH3 + в протопланетном диске. Если диск подвергается периоду интенсивного воздействия ультрафиолетового излучения, излучение, по-видимому, значительно изменяет химический состав диска. Чтобы подтвердить это, Уэбб наблюдал за диском, который не подвергался интенсивному ультрафиолетовому излучению, в котором было обнаружено большое количество воды. Однако в d203-506 (который подвергся воздействию радиации) Берне и др. не смогли обнаружить никакой воды в диске или окружающих областях.
«Это ясно показывает, что ультрафиолетовое излучение может полностью изменить химический состав протопланетного диска. На самом деле это может сыграть решающую роль на ранних химических стадиях зарождения жизни, помогая синтезу CH3 + — то, что, возможно, ранее недооценивалось», - объяснил Берне.
Результаты Берне и др. были опубликованы в журнале Nature 26 июня.
«Наше открытие стало возможным только потому, что астрономы, разработчики моделей и лабораторные спектроскописты объединили усилия, чтобы понять уникальные особенности, наблюдаемые Джеймсом Уэббом», - сказал Мартин.
