3D-модель демонстрирует, что химический состав вещества в звёздных яслях сложен

Фото из открытых источников

Молекулярный водород — это сырье для звездообразования. Звезды образуются в массивных облаках водорода, называемых гигантскими молекулярными облаками (ГМО). Когда формируются молодые звезды, их излучение формирует облака, в которых они образовались. Для образования звезд необходим холодный, плотный водородный газ, а молодые звезды нагревают и рассеивают окружающий газ, создавая барьер для дальнейшего звездообразования. Это уже известно.

Но еще многое предстоит узнать о звездной обратной связи и о том, как она формирует гигантские молекулярные облака и их химический состав. Внутри так называемых областей фотодиссоциации происходит множество сложных химических процессов, и новые исследования показывают, как они формируют общую структуру гигантского молекулярного облака.

Новое исследование посвящено изучению областей фотодиссоциации в перекладине Ориона, газово-пылевом хребте в туманности Ориона. Статья называется «Разрешение плотных областей фотодиссоциации: структура фотохимических фронтов в трехмерных газовых распределениях» и опубликована в журнале Astronomy and Astrophysics. Ведущий автор —Брандт Гачес из Университета Дуйсбург-Эссен.

«На протяжении десятилетий полоса Ориона служила прототипом области фотодиссоциации (ОР), — пишут авторы. — При наблюдении почти сбоку она предоставляет уникальную возможность заглянуть в слоистую химическую структуру перехода от атомного к молекулярному состоянию межзвездной среды». По мнению авторов, понимание фотохимии в полосе Ориона важно для «интерпретации ключевых наблюдений, полученных из плотных областей фотодиссоциации».

Телескопы ALMA и JWST наблюдали этот регион и обнаружили, что фронт фотодиссоциации молекулярного водорода (H₂ ) перекрывается с другой важной особенностью: фронтом рекомбинации C⁺. Этот фронт подобен слою в перемычке Ориона, где происходит еще один переход. Ионизированный углерод (C⁺) там превращается в нейтральный C.

Главный вывод из этого касается моделирования. Пытаясь понять, что такое гигантские молекулярные облака (ГМО) и как на них влияет обратная связь от звёзд, исследователи не полагаются исключительно на наблюдения. Они строят модели и наблюдают за тем, что происходит, и насколько точно модели соответствуют наблюдениям. В случае фотодиссоциативных областей (ФДР) одномерные модели используют стратифицированные слои. Но ALMA и JWST показывают, что слои фактически перекрываются друг с другом. Поскольку модели основаны на современном понимании ГМО и обратной связи, и поскольку наблюдения с ними не согласуются, предстоит ещё много работы.

«Несмотря на значительные теоретические усилия, существующие подходы к моделированию, основанные на упрощенных геометрических предположениях, испытывают трудности с воспроизведением пространственной структуры излучения», — пишут авторы. «Мы исследуем реакцию фотохимии в реалистичных трехмерных распределениях плотности, используя в качестве показательного примера бар «Орион»».

Бар «Орион» — практически идеальное место для этой работы, во-первых, потому что мы видим его с выгодного ракурса, а во-вторых, потому что он находится всего в 1350 световых годах от нас.

«Образец созвездия Ориона — идеальная природная лаборатория для изучения этих процессов», — объясняет Гачес. «Мы видим его почти сбоку, поэтому его различные химические слои особенно легко различить. Это делает его эталоном для проверки моделей областей, где преобладают фотоны».

Исследователи создали «первую полностью трехмерную модель высокого разрешения, аналогичную бару Ориона», которая отражает сложную, неоднородную и даже хаотичную реальность гигантских молекулярных облаков. Ее высокое разрешение позволяет детально изучить, как интенсивное излучение от близлежащих звезд вызывает изменения в областях звездообразования.

Перекрытие ионов H2 и C+ имеет важное значение в астрохимии. Оно определяет так называемую «химию углеводородов в возбужденном состоянии». Это означает, что химические пути, которые обычно запрещены, становятся открытыми. Это может приводить к образованию таких соединений, как метан, ацетилен и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). ПАУ могут быть важными строительными блоками для органического вещества и выступать в качестве важного резервуара углерода.

Однако эта работа в основном посвящена морфологии ГМК и тому, как фотодиссоциация способствует её формированию.

«Наша трехмерная модель способна воспроизвести сложную морфологию излучения H₂, наблюдаемую в ходе наблюдений, в частности, дугообразные и нитевидные структуры, и дает физическое объяснение его химического состава», — пишут авторы. «Трехмерная структура газа имеет решающее значение. Она создает тени и защищает части облака от интенсивного излучения. Это меняет химический состав и оставляет четкий след в инфракрасном и радиодиапазонах света, которые мы наблюдаем».

Когда учёные создают модели, результаты которых совпадают с наблюдениями, они понимают, что находятся на правильном пути к лучшему пониманию. Именно это и произошло в данном случае, хотя изначально они не ставили перед собой такую цель.

«Мы отмечаем, что, хотя основной целью не было обеспечение оптимального соответствия созвездию Ориона, наша трехмерная химическая модель смогла воспроизвести многие особенности, обнаруженные в наблюдениях за созвездием», — пишут авторы в заключении. Они определили, что пространственные размеры фронта фотодиссоциативной области играют решающую роль в определении излучения на фронте.

«Наши результаты знаменуют собой поворотный момент для астрохимии, где трехмерные модели стационарного состояния могут дать принципиально новые представления о химии и фундаментальной структуре межзвездной среды», — объясняют исследователи. «В будущих исследованиях теперь можно будет изучать морфологию газов, обусловленную различными физическими механизмами, а также исследовать их фотохимию и излучение в трех измерениях».