Телескоп JWST обнаружил ранее не наблюдавшийся во Вселенной «запрещенный» сигнал

Фото из открытых источников

Одна из важнейших молекул во Вселенной десятилетиями скрывала свой свет. Это основа практически всей межзвездной химии в газовой фазе, включая образование сложных органических молекул, составляющих компоненты жизни.

Его название — триводородный катион (H₃⁺) , и он настолько важен, что его часто называют «молекулой, создавшей Вселенную».

Было обнаружено, что оно скрывается в межзвездных облаках и частично отвечает за полярное сияние Юпитера, но особый тип света, который оно должно излучать при вращении, предсказанный еще в 1986 году, ускользал от всех поисков, включая попытки наблюдать его в лабораторных условиях.

Теперь, используя телескоп JWST, группа астрономов во главе с Дэвидом Нойфельдом из Университета Джонса Хопкинса наконец-то обнаружила этот неуловимый свет, исходящий от газа, находящегося в тысячах световых лет от нас. Результаты исследования, принятые к публикации в журнале The Astrophysical Journal Letters, доступны на сервере препринтов arXiv.

Это открытие может помочь нам понять физику гигантских ударных волн, генерируемых новорожденными звездами, а также то, что происходит с этой критически важной молекулой посреди всего этого огня и ярости.

Чтобы понять, почему это открытие настолько невероятно, нам нужно взглянуть на своеобразную форму самой молекулы триводорода.

Она состоит из трех ядер водорода, сгруппированных вместе и разделяющих между собой всего два электрона. Они образуют равносторонний треугольник, что означает, что молекула не имеет постоянного дипольного момента и не имеет допустимого спектра чисто вращательного движения.

Это означает, что по мере вращения молекулы её электрический заряд остаётся равномерно распределённым, без смещения баланса, которое могло бы генерировать электромагнитное излучение, обычно испускаемое молекулами при вращении.

Тем не менее, в 1986 году астрофизики Фу-Ши Пан и Такеши Ока из Чикагского университета подсчитали, что триводород должен быть способен излучать очень слабое количество света при вращении.

Вот в чем лазейка. По мере вращения молекулы центробежные силы слегка искажают ее идеально симметричную форму. Это создает крошечный электрический дипольный момент, позволяющий ей все-таки излучать радиацию.

В результате происходят настолько чрезвычайно слабые переходы, что они считаются «запрещенными» — не потому, что нарушают законы физики, а потому, что запрещены обычными правилами, регулирующими молекулярное излучение.

В течение четырех десятилетий это предсказание оставалось неподтвержденным. Сигнал был просто слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить даже в лабораторных экспериментах.

Но в статье Пана и Оки не было предсказано убийственное сочетание телескопа JWST и новорожденной звезды, устроившей бурный скандал космических масштабов.

Объекты Хербига-Харо — одни из самых впечатляющих явлений в галактике, возникающие в результате мощных вспышек активности молодых звёзд.

В процессе формирования звезда поглощает вещество, вращающееся вокруг неё. Но не всё это вещество оказывается внутри звезды. Мощные магнитные поля помогают выбрасывать часть его обратно в космос в виде плотно сфокусированных струй, движущихся со скоростью в сотни километров в секунду.

Когда эти струи сталкиваются с окружающим молекулярным облаком, они генерируют огромные ударные волны, нагревая газ до тысяч градусов и заставляя его вспыхивать светом.

Это довольно кратковременный, но важный этап в жизни звезды, и астрономы стремятся узнать о нём больше. Однако, поскольку он часто происходит внутри плотной туманности, из которой родилась звезда, его очень трудно наблюдать.

Это делает объекты Хербига-Харо особенно интересными целями для телескопа JWST. Инфракрасный свет, на который настроен телескоп, проникает сквозь затеняющую пыль эффективнее, чем видимый свет, что позволяет ему заглядывать в эти турбулентные звездные ясли.

Но когда Нойфельд и его коллеги начали изучать наблюдения объекта, названного Хербигом-Харо 168, или HH 168, полученные телескопом JWST, кое-что показалось им несколько странным.

Среди инфракрасного излучения горячего, ударно-сжатого газа скрывалась серия необычайно слабых спектральных линий.

Их длины волн совпадали с длинами волн запрещенных вращательных переходов катиона триводорода, рассчитанными Паном и Окой 40 лет назад.

Причем не одну линию. Команда выявила 26 различных линий, каждая из которых была обнаружена с высокой статистической достоверностью. Самая сильная из этих линий показала ошеломляющий показатель в 72 сигма, что практически не оставляет сомнений в ее обнаружении.

Впервые астрономы зафиксировали излучение молекулы, которое никогда ранее не наблюдалось во Вселенной, — и это излучение было весьма значительным. По сравнению с тем, что предсказывали их модели, оно было поистине раскаленным.

Но наличие сигнала было лишь частью истории. Не менее интересным было и то, где он появился среди турбулентного газа, подверженного воздействию струй молодой звезды.

Это явление точно совпадало с излучением обычного молекулярного водорода (H₂), что позволяет предположить, что обе молекулы реагировали на одни и те же бурные условия.

Однако объяснить, как именно эти условия привели к столь яркому излучению триводорода, оказалось несколько сложнее. Когда исследователи попытались воспроизвести наблюдения с помощью моделей ударных волн, ни один из подходов не сработал идеально.

Одна из моделей хорошо воспроизводила излучение обычного молекулярного водорода, но недооценивала сигнал триводорода в пять или шесть раз.

Другой метод оказался гораздо ближе к соответствию показателям выбросов триводорода, но основывался на условиях, выходящих за пределы диапазона, для которого модель была проверена.

Таким образом, необходимо провести дополнительные исследования, чтобы выяснить, почему излучение было таким ярким. Но есть еще один недостающий элемент головоломки, который указывает на то, что Вселенная способна на это с относительной легкостью.

Когда команда изучила архивные наблюдения другого объекта Хербига-Харо, HH 211, сделанные телескопом JWST, они обнаружили там также характерное излучение.

Это действительно замечательно. Пан и Ока были правы всё это время — не хватало лишь достаточно чувствительного инструмента, чтобы это подтвердить.

И теперь сам триводород может превратиться в инструмент – инструмент, который ученые смогут использовать для лучшего понимания химических процессов, превращающих простейший элемент во Вселенной в захватывающую дух сложность космоса.