Дейтерий в кометах «рассказывает» интересные истории

Фото из открытых источников

Кометы сыграли интересную роль в истории астрономии. С древних времен многие культуры считали их предзнаменованиями или духами, предвещающими хорошие или плохие новости для королей, королев и императоров. Однако за последние несколько сотен лет астрономы пристально изучали их, чтобы понять научную сторону этих «гостей» во внутренней части Солнечной системы. Сегодня мы знаем, что эти призрачные явления в небе состоят из грязных шаров льда и камней, проносящихся сквозь космос и разбрасывающих пыль и газы.

Оказывается, кометы тоже играют свою роль в истории Солнечной системы. Каждая из них хранит в своем льду и пыли целую сокровищницу подсказок об условиях в нашей Солнечной системе, особенно о том времени, когда они сформировались в протосолнечной туманности около 4,5 миллиардов (или более) лет назад. И если наши «родные» кометы обладают такими свойствами, подумайте, что могут рассказать нам «инопланетные» кометы из других планетных систем о далеких уголках галактики!

Прекрасный пример тому — комета 3I/ATLAS, межзвездный объект, пролетевший в 2025 году через внутреннюю часть Солнечной системы между Землей и Марсом. Она приблизилась к Земле на расстояние менее 1,8 астрономических единиц и образовала плотную кому (облако газа и пыли). Астрономы использовали космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) и его высокочувствительный инфракрасный спектрометр NIRSpec для изучения химического состава этой кометы и обнаружили, что она обогащена дейтерием. Фактически, она содержит более чем в 30 раз больше дейтерия, чем кометы нашей Солнечной системы. Это многое говорит астрономам об условиях формирования кометы в её собственной системе, о её возрасте и даже немного о нашей Солнечной системе.

«Это была уникальная возможность изучить древний объект из далёкой Галактики, вероятно, существовавший ещё до нашего Солнца и Солнечной системы», — сказал астрохимик Мартин Кординер из Центра космических полётов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «С одной стороны, мы получаем непосредственное представление о том далёком времени и месте, а с другой — узнаём кое-что о том, насколько необычной может быть наша собственная Солнечная система».

При приближении к источнику тепла любая комета начинает сублимировать и выделять газы. Комета 3I/ATLAS не стала исключением. Ее прохождение между Землей и Марсом нагрело лед, что привело к образованию газовой комы. Прибор NIRSpec на телескопе JWST зафиксировал спектры света, излучаемого комой, и эти данные были использованы для определения соотношения углерода и дейтерия в коме.

Дейтерий — полезный элемент для изучения. Это изотоп водорода, который плохо сохраняется при нагревании. Большая часть дейтерия, которую мы видим в природе, образовалась во время Большого взрыва. Он также может образовываться в звёздах, но реакции термоядерного синтеза быстро разрушают его. Поэтому он предпочитает холод. При длительном воздействии тепла он перерабатывается в водород, из которого состоит вода. Если взять образец воды здесь, на Земле (или в любой «самодельной» комете из нашей системы), то можно определить определённое соотношение дейтерия и водорода. Чем больше водорода, тем меньше дейтерия. Это ценное соотношение для определения условий образования кометы.

Никто пока точно не определил родную систему кометы 3I/ATLAS, но высокое соотношение дейтерия к водороду указывает на то, что она, скорее всего, образовалась в очень холодной системе на очень ранней стадии истории Млечного пути. На основе её траектории некоторые астрономы предположили, что её родная система могла находиться в тонком или толстом диске Млечного пути. Кроме того, они подозревают, что она образовалась не менее 10 миллиардов лет назад или даже раньше. Это время, когда в галактике активно развивалось звездообразование, что и определило место рождения кометы вокруг ныне древней звезды. Её путешествие в межзвездном пространстве не подвергало её сильному нагреву, поэтому она до сих пор имеет высокое соотношение дейтерия, характерное для периода её «рождения». Другими словами, большую часть своего существования она находилась в глубокой заморозке.

Дейтерий — не единственный индикатор возраста и химического состава, который научные группы использовали в JWST для изучения инопланетной кометы. Изотопы углерода также дали представление о прошлом кометы. NIRSpec показал лишь следы углерода-13 по сравнению с более легким углеродом-12. Это также указывает на очень древнее происхождение 3I/ATLAS. Это связано с тем, что звездные системы обогащаются углеродом-13 с течением времени, по мере того как в галактике рождаются и умирают поколения звезд. Когда звезды умирают, они теряют свой углерод (и другие элементы в космос), и в конечном итоге этот материал поглощается новыми поколениями звезд (и планет). Именно поэтому в нашей системе, вокруг нашего Солнца, наблюдается более высокий уровень углерода-13, который сформировался относительно недавно, 4,5 миллиарда лет назад.

JWST был не единственным телескопом, изучавшим эту удивительную комету. Очень большой телескоп Европейской южной обсерватории (ESO) также исследовал комету и обнаружил соединение углерода и азота, называемое цианидом. Это пребиотическое соединение, участвовавшее в формировании жизни, и оно указывает на то, что в месте образования этой кометы могли существовать условия, способные привести к зарождению жизни. По словам члена команды Стефани Милам из Центра Годдарда НАСА, обнаружение таких химических веществ в других местах галактики — редкое открытие. 

«Для нас, ученых, обнаружение этих редких изотопов — это захватывающее событие, но более важный аспект — это изучение возможностей пребиотической химии в других местах галактики», — сказала Милам. «До сих пор нам известно только об одном месте в огромном космосе, где химические компоненты привели к зарождению жизни — наша Солнечная система, наша Земля. Анализ этих межзвездных объектов — важный шаг к пониманию того, насколько распространены или редки условия для эволюции жизни во Вселенной».