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? Читать далее

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