Уэбб впервые обнаружил важную молекулу углерода в диске, формирующем планету.

Пользовательская оценка: 5 / 5

Международная группа ученых, используя данные космического телескопа имени Джеймса Уэбба НАСА/ЕКА/Канадского космического агентства, впервые обнаружила молекулу, известную как метил-катион (CH3+), присутствующую в протопланетном диске вокруг молодой звезды. Они совершили этот подвиг благодаря междисциплинарному анализу, проведенному экспертами, в том числе ключевому вкладу экспертов по спектроскопии в лаборатории. Эта простая молекула обладает уникальным свойством: она относительно неэффективно взаимодействует с самым распространенным элементом в нашей Вселенной (водородом), но легко взаимодействует с другими молекулами, запуская рост более сложных молекул углерода.

Химия углерода представляет особый интерес для астрономов, потому что все известные формы жизни зависят от углерода. Жизненно важная роль CH3 в химии межзвездного углерода была предсказана еще в 1970-х годах, но уникальные способности Уэбба, наконец, позволили его заметить — в области космоса, где могли сформироваться планеты, которые в конечном итоге могли бы поддерживать жизнь.

Соединения углерода являются основой всех известных форм жизни и поэтому представляют особый интерес для ученых, пытающихся понять, как развивалась жизнь на Земле и как она могла развиваться в других местах Вселенной. Поэтому межзвездная органическая химия — увлекательная тема для астрономов, изучающих места образования новых звезд и планет. Особое значение имеют углеродсодержащие молекулярные ионы, поскольку они реагируют с другими небольшими молекулами с образованием более сложных органических соединений даже при низких межзвездных температурах.

Метильный катион (CH3+) является таким ионом углерода. С 1970-х и 1980-х годов ученые считали, что CH3+ представляет особый интерес. Это связано с замечательным свойством CH3+, состоящим в том, что он взаимодействует с большим количеством других молекул. Этот крошечный катион достаточно важен, чтобы стать краеугольным камнем межзвездной органической химии, но его еще предстоит открыть. Уникальные особенности космического телескопа Джеймса Уэбба сделали его идеальным инструментом для поиска этого важнейшего катиона, и группа международных ученых уже впервые обнаружила его с помощью Уэбба. «Это обнаружение CH3+ не только доказывает удивительную чувствительность Джеймса Уэбба, но также подтверждает предполагаемую центральную роль CH3+ в межзвездной химии», — объясняет Мари-Ален Мартен из Университета Париж-Сакле во Франции, спектроскопист и член научной группы.

Изображение: ESA/Webb, NASA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb) и команда PDRs4All ERS.

Сигнал CH3+ был обнаружен в звездно-протопланетной дисковой системе, известной как d203-506, которая находится на расстоянии около 1350 световых лет в туманности Ориона. Хотя звезда в d203-506 представляет собой небольшой красный карлик, масса которого составляет примерно одну десятую массы Солнца, система сильно бомбардируется ультрафиолетовым излучением соседних массивных горячих молодых звезд. Ученые считают, что большинство формирующих планеты протопланетных дисков испытывают такой период интенсивного ультрафиолетового излучения, потому что звезды обычно формируются в скоплениях, которые часто содержат массивные звезды, производящие ультрафиолет. Удивительно, но метеориты показывают, что протопланетный диск, из которого образовалась наша Солнечная система, также подвергался воздействию огромного количества ультрафиолетового излучения — от звездного спутника нашего давно умершего Солнца (массивные звезды горят ярко и умирают гораздо быстрее, чем менее массивные звезды). Фактором, сбивающим с толку во всем этом, является то, что ультрафиолетовое излучение долгое время считалось весьма разрушительным для образования сложных органических молекул, однако есть явные доказательства того, что единственная известная нам планета, поддерживающая жизнь, возникла из диска, подвергшегося такому воздействию.

Команда, проводившая это исследование, возможно, нашла разгадку этой загадки. Их работа предсказывает, что присутствие CH3+ на самом деле связано с ультрафиолетовым излучением, которое обеспечивает источник энергии, необходимый для образования CH3+. Кроме того, период воздействия ультрафиолетового излучения, которому подвергаются некоторые таблетки, по-видимому, оказывает значительное влияние на их химический состав. Например, наблюдения Уэбба за протопланетными дисками, не подверженными интенсивному ультрафиолетовому излучению от близлежащего источника, показывают большое обилие воды — в отличие от d203-506, где команде вообще не удалось обнаружить никакой воды. Ведущий автор, Оливье Бернье из Университета Тулузы, Франция, объясняет: «Это ясно показывает, что УФ-излучение может полностью изменить химический состав протопланетного диска. Оно может даже играть решающую роль на ранних химических стадиях жизни, помогая производить CH3+ — что-то, что, возможно, недооценивалось в прошлом».

Хотя исследования, опубликованные с 1970-х годов, предсказывали важность CH3+, ранее его было почти невозможно обнаружить. Многие молекулы наблюдаются в протопланетных дисках с помощью радиотелескопов. Чтобы это было возможно, участвующие молекулы должны обладать так называемым «постоянным дипольным моментом», что означает, что геометрия молекулы постоянно несбалансирована, что дает молекуле положительный и отрицательный «концы». CH3+ симметричен и, следовательно, имеет сбалансированный заряд, поэтому у него нет постоянного дипольного момента, необходимого для наблюдений с помощью радиотелескопа. Теоретически можно было бы наблюдать спектральные линии CH3+ в инфракрасном диапазоне, но атмосфера Земли делает невозможным наблюдение этих линий с Земли. Поэтому было необходимо использовать достаточно чувствительный космический телескоп. Он может отслеживать сигналы в инфракрасном диапазоне. Приборы NIRSpec, часть европейского вклада в Webb, и MIRI, половину из которых Европа вносит, идеально подходили для этой задачи. CH3+ ранее был настолько неуловим, что, когда команда впервые увидела этот сигнал в своих данных, они не были уверены, как его идентифицировать. Примечательно, что команда смогла интерпретировать свои результаты в течение коротких четырех недель, опираясь на опыт интернациональная команда с разнообразным опытом.

Открытие CH3 стало возможным только благодаря сотрудничеству астрономов-наблюдателей, разработчиков астрохимических моделей, теоретиков и ученых-экспериментаторов, которые объединили уникальные возможности JWST в космосе с возможностями наземных лабораторий для успешного изучения формирования и эволюции нашей локальной Вселенной. объясняет. Мэри Эллен Мартин добавляет: «Наше открытие стало возможным только потому, что астрономы, моделисты и лабораторные спектроскописты объединили свои усилия, чтобы понять уникальные особенности, наблюдаемые Джеймсом Уэббом».