Странности спектра: Загадка крупной молекулы

Исследование, проведенное группой астрономов из Европы и США, приближает нас к решению загадки происхождения странных линий, которые встречаются в спектрах многих далеких звезд. Впервые обнаруженные почти сто лет назад, они и сегодня не имеют точного объяснения.
17527
  • Туманность Андромеды — одна из двух удаленных галактик, изученных на предмет диффузных межзвездных линий поглощения (DIB). На иллюстрации звезды, в окрестностях которых обнаруживается источник таких линий, взяты в круги — чем больше круг, тем более выражены линии
    Туманность Андромеды — одна из двух удаленных галактик, изученных на предмет диффузных межзвездных линий поглощения (DIB). На иллюстрации звезды, в окрестностях которых обнаруживается источник таких линий, взяты в круги — чем больше круг, тем более выражены линии
  • Галактика Треугольника расположена примерно в 3 млн световых лет от Земли
    Галактика Треугольника расположена примерно в 3 млн световых лет от Земли

Сама работа была посвящена галактикам Андромеды и Треугольника, в спектрах которых также выявлены диффузные межзвездные линии поглощения (Diffuse Interstellar Bands, DIB), источник которых остается для ученых загадкой. Почти наверняка это — какие-то достаточно крупные органические молекулы, но какие? И затем — откуда они взялись?

Сегодня наибольшую популярность имеет версия, согласно которой линии эти создают полициклические ароматические углеводороды, тем более что они считаются довольно широко (для органики) встречающимися на просторах космоса и на небесных телах. Однако новая работа делает эту гипотезу довольно сомнительной.

Интересно, что, несмотря на все различия в строении и свойствах галактик Андромеды, Треугольника и нашего Млечного Пути, DIB обнаруживаются у всех трех. Один из авторов исследования говорит: «Мы находим их в самых разных условиях. При низком уровне УФ-радиации, и при уровне в тысячи раз большем. При совершенно различном содержании вещества, пригодного для формирования звезд и планет — повсюду можно найти эти линии».

До сих пор в деталях спектральные линии DIB исследовались лишь для ближайших к нам небольших галактик-спутниц Млечного Пути, Большого и Малого Магеллановых Облаков. Андромеда же и Треугольник находятся примерно вдесятеро дальше, на расстояниях 2,5 и 3 млн световых лет от Земли. Сами они при хорошей погоде и зрении неплохо различимы даже невооруженным глазом в соответствующих созвездиях. Но для изучения DIB требуется различить в них отдельные звезды, а для этого понадобится вся мощь самых мощных из современных телескопов. Один из них и использовался в данном случае, телескоп расположенной в Гавайях обсерватории Gemini.

Но различить тысячи звезд — это еще начало. Нужно выбрать подходящие из них для наблюдений. Такими объектами стали голубые гиганты, очень горячие и яркие молодые звезды, удобные для спектральных исследований. Для них ученые и получали спектр в видимых лучах, с некоторым «уходом» в инфракрасную и ультрафиолетовую области.

Но астрономов интересует не тот свет, который приходит к нам в этом спектре, а те линии, которые в нем отсутствуют (о том, как проводятся подобные исследования, можно прочесть в заметке «Солнечный спектр«). Именно в этих довольно узких диапазонах частот излучение поглощается веществом — причем набор этих линий можно назвать отпечатками пальцев, уникальными для разных атомов и молекул. К таким черным, отсутствующим линиям относятся и наши DIB. Однако для них свойственно не совсем обычное поведение — размытость, широта и нечеткость. «В областях, соответствующих понятным нам атомам и молекулам, мы видим довольно четкие и узкие полосы поглощения, — говорит один из авторов недавней работы, — но DIB очень широки, некоторые из них отличаются странными резкими перепадами и неровностями».

Уже больше сотни лет физики постоянно исследуют все новые вещества и дополняют каталоги характерных для них спектров. Неудивительно, что поначалу, после открытия в 1922 г., диффузным межзвездным линиям особого значения не придали. Казалось, что их источник скоро будет найден. Но не тут-то было. К настоящему времени получены спектры для более чем 400 DIB, и ни один из них не удалось строго сопоставить ни одному из известных веществ. Конечно, набор линий поглощения может сказать кое-что о молекуле, которая его создала — о видах имеющихся в ней атомов, о некоторых из связей между ними. Но точно установить эту молекулу, по крайней мере пока, невозможно.

После детального анализа было показано, что DIP создают молекулы достаточно крупные, имеющие в своем составе не менее 20 атомов. Для белков это, конечно, очень маленький размер, но для небиологической органики — вполне серьезный. И тем более заметный на фоне достаточно распространенных в космосе соединений — таких, как газообразный водород, оксид углерода (II) или метан. Считается, что наш подозреваемый должен быть органическим и довольно стабильным соединением, способным сохраняться в довольно суровых условиях межзвездной среды, пронизанной всевозможным излучением. В том же Большом Магеллановом Облаке его DIB-спектр обнаруживается даже несмотря на то, что уровень радиации в этой галактике в тысячи раз сильнее нашего. Эта странная молекула должна легко синтезироваться и с трудом распадаться в самом широком диапазоне условий.

В той или иной степени подходящими на эту роль оказались не слишком длинные углеводородные цепочки, те же полициклические ароматические углеводороды, и похожие на футбольный мяч фуллереновые структуры. Интересно, что этот список охватывает органическую химию во всем объеме — от «одномерных» вытянутых цепочек до «двумерных» плоских циклических соединений и «трехмерных» фуллеренов.

Обнаружение ярко выраженных диффузных линий в пределах Млечного Пути неизменно связывается с довольно плотными пылевыми скоплениями, в которых, возможно, и происходит образование искомых молекул. Аналогичная ситуация обнаружилась и в галактиках Андромеды и Треугольника.

При этом Андромеда (как и Млечный Путь) характеризуется сравнительно высоким содержанием полициклических ароматических углеводородов, хотя конкретный набор этих соединений у галактик различается. Тогда, по логике, должны иметься различия и в наборе диффузных линий DIB, но этого не обнаруживается. И это отсутствие корреляции если не окончательно ставит крест на ароматических веществах, как источниках DIB, то ставит их кандидатуру под большое сомнение. Вперед вырываются углеводородные цепочки и фуллерены. Ян Ками (Jan Cami), впервые показавший, что фуллерены могут встречаться и в космосе, говорит: «Источниками DIB могут быть не чистые фуллерены, а атомы и молекулы, например, запертые во внутренней полости сферы фуллерена, или химически связанные с его поверхностью».

Интересен еще один факт, установленный недавним исследованием. Млечный Путь отличается от Андромеды интенсивным звездообразованием. В нем много массивных и молодых звезд, генерирующих большой интенсивности УФ-излучение. Межзвездная среда нашей галактики сильнее пронизана этой радиацией, чем в Андромеде. Такая радиация и ее энергетические фотоны не слишком благоприятны для любой органики. Соответственно, стоило бы ожидать, что молекулы, служащие источником линий DIB, должны в Млечном Пути распадаться быстрее, и у Андромеды их больше — следовательно, сильнее выражен и спектр DIB. На деле же эта разница оказалась удивительно малой. Загадка остается загадкой.

По пресс-релизу NASA

Комментарии