Астрохимики впервые получили инфракрасные спектры межзвездных льдов | Новости науки

Ученые Уральского федерального университета в лаборатории воссоздали содержащие метан межзвездные льды, которые широко наблюдаются в космическом пространстве, и впервые получили их инфракрасные «отпечатки» — спектры. Метан — одна из ключевых молекул в химии межзвездной среды и одновременно потенциальный биомаркер при поиске жизни на экзопланетах.

С помощью полученных спектров исследователи проанализировали данные крупнейшего космического телескопа современности «Джеймс Уэбб». Оказалось, что в окрестностях молодых звезд метановый лед находится не только в смеси с водяным льдом, как считалось ранее. Значительная доля метанового льда смешана с «сухим льдом», состоящим из углекислого газа, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Метан — одна из наиболее распространенных молекул в межзвездной среде. Ученые рассматривают его в качестве потенциального индикатора при поиске жизни на экзопланетах. Это связано с тем, что на Земле большая часть метана производится в результате обмена веществ живых организмов, в первую очередь бактерий. В то же время в межзвездной среде это соединение синтезируется без участия живых организмов. При этом исследования показывают, что в открытом космосе метан чаще всего содержится в твердом виде в ледяных оболочках, покрывающих частицы межзвездной пыли.

Чтобы выявить метан в таких льдинках, астрономы анализируют инфракрасные спектры космических объектов: разные соединения поглощают такое излучение на строго определенных длинах волн, а потому каждый спектр представляет собой уникальный «отпечаток пальца». Однако проанализировать такие спектры для метана до сих пор было очень сложно из-за того, что на Земле эксперименты с этой молекулой не проводились для достаточного количества различных молекулярных окружений метана во льду.

Астрохимики из Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина (Екатеринбург) впервые получили инфракрасные спектры льдов, состоящих из смесей метана с водой, углекислым газом, спиртом метанолом и аммиаком. Именно такие соединения входят в состав ледяных мантий на пылевых частицах в темных молекулярных облаках и предшественниках звезд.

Авторы провели эксперименты на уникальной вакуумной установке ISEAge при двух температурах: -263°С (10 Кельвинов) и -266°С (6,7 Кельвинов), которые соответствуют реальным условиям в центрах холодных дозвездных ядер. В такой камере формировали нанометровые пленки льда из чистого метана, а также его смесей с другими веществами в разных пропорциях.

Оказалось, что метан в смеси с другими молекулами поглощает инфракрасный свет заметно сильнее, чем в чистом виде. Интенсивность поглощения метана в смесях оказалась в среднем на 20% выше, чем у чистого вещества, интенсивность поглощения для которого использовали при расчетах ранее. Это означает, что оценки содержания межзвездного метана в ряде публикаций, основанных на данных инфракрасного телескопа «Джеймс Уэбб», могут быть завышены примерно на 20%.

Помимо этого, смеси метана с метанолом и аммиаком продемонстрировали изменения в форме полос поглощения, позволяющие отличить их от метана, который связан с водяным льдом. Это открывает возможность исследовать условия образования метана в различных астрохимических реакциях.

Авторы собрали все полученные на оборудовании ISEAge спектры в библиотеку и сопоставили их с данными, которые собрал телескоп «Джеймс Уэбб» при наблюдении за молодой протозвездой B335, находящейся на расстоянии 537 световых лет от Земли в созвездии Орла. Результаты показали, что около 30% твердого метана в B335 находится в окружении молекул углекислого газа, а не воды, как считалось раньше. Количества метана и углекислого газа оказались скоррелированы, и это указывает на то, что эти вещества формируются совместно на начальных стадиях образования ледяных мантий межзвездных пылевых частиц.

«Мы разместили полный набор спектров в открытом доступе в репозитории Zenodo, сделав их доступными всему научному сообществу для интерпретации новых наблюдений „Джеймса Уэбба“. Актуальность этих данных будет только расти по мере накопления инфракрасных наблюдений протозвездных и дозвездных объектов. В дальнейшем мы планируем исследовать метан в большем количестве протозвезд различных классов, а также попытаться оценить, в каком соотношении в ледяном метане находятся изотопы водорода и углерода», — рассказал руководитель проекта Антон Васюнин, кандидат физико-математических наук, заведующий научной лабораторией астрохимических исследований Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.