Ученые лаборатории астрохимических исследований УрФУ 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. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.
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 УрФУ 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 данные 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 попытаемся оценить, в каком соотношении в ледяном метане находятся изотопы водорода и углерода», — рассказывает руководитель проекта, заведующий научной лабораторией астрохимических исследований УрФУ Антон Васюнин.
Информация предоставлена Департаментом по связям с общественностью УрФУ
Источник фото: ru.123rf.com
