Космический коктейль: экзотический метанол выявлен в местах формирования планет

Фото из открытых источников

В космосе новые звезды и планетные системы формируются в плотной химической смеси. Международная исследовательская группа под руководством Бернского университета в рамках масштабного проекта COMPASS в обсерватории ALMA продемонстрировала, что молодые звезды, подобные Солнцу, окружены удивительно богатым «химическим стартовым набором», включающим метанол в ранее неожиданных формах и количествах. Результаты дают новое понимание того, как ранние химические процессы могут влиять на последующее формирование планет и, возможно, жизни.

В глубинах нашей галактики формируются новые звезды и планеты, сопровождаемые множеством химических веществ. Органические молекулы, которые считаются потенциальными строительными блоками жизни, также образуются в обширных облаках газа и покрытой льдом пыли. Точный механизм возникновения этого молекулярного разнообразия, его различия от звездной системы к звездной системе и его влияние на молодые планетные системы остаются в значительной степени неизвестными.

Именно здесь вступает в дело крупный международный проект COMPASS (Complex Organic Molecules in Protostars with ALMA Spectral Surveys). Под совместным руководством Марии Н. Дроздовской с кафедры химии, биохимии и фармацевтических наук Бернского университета команда использует Атакамскую большую миллиметровую/субмиллиметровую антенную решетку (ALMA) — самый мощный в мире наземный телескоп, расположенный в чилийской пустыне Атакама, — для изучения образования сложных органических молекул в окружении молодых звезд. 

Первые научные результаты уже доступны: в семи статьях, опубликованных в журнале Astronomy & Astrophysics, команда демонстрирует, что молодые, еще формирующиеся звезды — так называемые протозвезды — окружены удивительно сложным «химическим стартовым набором», включающим органические молекулы, такие как метанол, которые впоследствии могут быть обнаружены в формирующихся планетах. Кроме того, впервые вокруг протозвезды обнаружена редкая тяжелая форма метанола.

В рамках проекта COMPASS телескоп ALMA использует возможности телескопа для беспрецедентно детального изучения одиннадцати близлежащих протозвезд, подобных Солнцу. Цель проекта — понять, как химическое разнообразие передается из массивных газовых и пылевых облаков в молодые планетные системы, вплоть до планет, подобных Земле. В проекте участвуют более 30 исследователей из Европы, Северной Америки и Азии; Бернский университет представлен исследовательской группой под руководством Марии Дроздовской, специализирующейся на молекулярной астрофизике и являющейся соучредителем и соруководителем проекта. Молекулярная астрофизика в Бернском университете уникальна для Швейцарии и становится ключевым направлением этих исследований.

Некоторые из первоначальных результатов проекта COMPASS касаются метанола, простейшего спирта, играющего центральную роль в образовании более крупных органических молекул. Исследователям удалось обнаружить так называемое мазерное излучение метанола — характерные радиосигналы от молекул метанола — более чем в половине изученных протозвезд. Это мазерное излучение метанола неожиданно для маломассивных протозвезд, то есть предшественников относительно легких, солнцеподобных звезд. До сих пор оно наблюдалось только в массивных протозвездах, которые являются предшественниками очень массивных, гораздо более энергичных звезд. 

«Тот факт, что оно теперь обнаружено и в маломассивной протозвезде, показывает, что там могут преобладать локально экстремальные физические условия, аналогичные тем, что наблюдаются в массивных звездах, и ставит под сомнение наше прежнее понимание образования солнцеподобных звезд», — говорит Дроздовская. Результаты свидетельствуют о том, что мазерное излучение метанола вокруг маломассивных протозвезд гораздо более распространено, чем считалось ранее, и представляет собой общую особенность ранних стадий протозвездной эволюции.

Одновременно с этим, COMPASS впервые удалось обнаружить в космосе «тяжелый» вариант метанола: полностью дейтерированный метанол (CD3OD), в котором все атомы водорода заменены тяжелым изотопом дейтерия. Эта экзотическая молекула была обнаружена вокруг молодой протозвезды IRAS 4A2 в молекулярном облаке Персея, примерно в 1000 световых годах от Земли. «Оба результата подчеркивают, насколько важны высокоэффективные спектроскопические измерения, подобные тем, что были получены с помощью COMPASS и ALMA, для обнаружения редких и ранее неизвестных химических явлений», — говорит Дроздовская. «Они показывают, как много нам еще предстоит узнать о химических процессах в молодых протозвездных системах».

COMPASS — одна из всего четырех крупных программ, отобранных в 2022 году из примерно 40 подобных заявок для ALMA в том году. Для систематического каталогизирования химического состава протозвезд потребовалось более 100 часов наблюдений с помощью телескопа ALMA. «Успешность составила 10%, поэтому мы тем более рады, что наш проект был выбран. В конце концов, время наблюдений на ALMA — это очень конкурентный ресурс», — говорит Дроздовская.

Анализ всего набора данных COMPASS продолжается; в настоящее время все обнаруженные молекулы во всех одиннадцати протозвездах систематически изучаются. «Анализ всех собранных данных займет еще несколько лет», — говорит Дроздовская. Кроме того, последующие и дополнительные программы ведутся на других установках, включая космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST). «Наша работа дает представление о сложной химии молодых звездных систем и в конечном итоге является важной частью головоломки в понимании происхождения жизни», — заключает Дроздовская.