«Уэбб» зафиксировал «запрещённый» сигнал, ранее не замеченный ни во Вселенной, ни в лаборатории

Одна из важнейших молекул Вселенной десятилетиями не раскрывала тайну своего излучения. Она играет ключевую роль практически во всей газофазной межзвёздной химии, в том числе в образовании сложных органических молекул — строительных блоков жизни. Это катион трёхатомного водорода H₃⁺, который нередко называют «молекулой, создавшей Вселенную».

Его уже находили в межзвёздных облаках; кроме того, он отчасти участвует в возникновении полярных сияний на Юпитере. Но особое излучение, которое молекула должна испускать при вращении и существование которого предсказали ещё в 1986 году, до сих пор не удавалось зарегистрировать даже в лаборатории.

Теперь группа астрономов под руководством Дэвида Нойфельда из Университета Джонса Хопкинса с помощью телескопа «Уэбб» наконец обнаружила этот неуловимый сигнал в газе, расположенном в тысячах световых лет от Земли. Открытие может пролить свет на физику гигантских ударных волн, возникающих вокруг новорождённых звёзд, и помочь выяснить, что происходит с этой важной молекулой в столь бурной среде.

Чтобы понять, почему открытие вызвало такой интерес, стоит присмотреться к необычному строению трёхатомного водорода. Молекула состоит из трёх связанных ядер водорода, между которыми распределены всего два электрона. Ядра образуют равносторонний треугольник, поэтому у молекулы нет постоянного дипольного момента и разрешённого спектра чисто вращательных переходов. Иными словами, при её вращении электрический заряд остаётся распределённым равномерно: не возникает меняющейся асимметрии, которая обычно позволяет вращающимся молекулам испускать электромагнитное излучение.

Тем не менее в 1986 году астрофизики Фу-Ши Пан и Такэси Ока из Чикагского университета рассчитали, что вращающийся трёхатомный водород всё же способен излучать, хотя и крайне слабо. Дело в том, что центробежные силы немного искажают идеально симметричную форму молекулы. Из-за этого возникает крошечный электрический дипольный момент, позволяющий ей испускать излучение. Получающиеся переходы настолько слабы, что их называют «запрещёнными». Это не означает нарушения законов физики: они лишь не допускаются обычными правилами, определяющими молекулярное излучение.

Почти четыре десятилетия это предсказание оставалось без подтверждения: сигнал был слишком слабым даже для лабораторных приборов. Но Пан и Ока не могли предвидеть, насколько эффективным окажется сочетание возможностей «Уэбба» и бурной активности новорождённой звезды.

Объекты Хербига — Аро принадлежат к числу самых впечатляющих явлений нашей Галактики. Они возникают благодаря мощным выбросам вещества из молодых звёзд. В процессе формирования звезда поглощает окружающее её вращающееся вещество, но часть его не попадает внутрь. Мощные магнитные поля выбрасывают её обратно в космос в виде узких струй, которые движутся со скоростью в сотни километров в секунду. Сталкиваясь с окружающим молекулярным облаком, эти струи создают гигантские ударные волны: они нагревают газ до тысяч градусов и заставляют его ярко светиться. Этот сравнительно короткий, но важный этап жизни звезды вызывает большой интерес астрономов. Однако наблюдать его непросто, поскольку он нередко скрыт внутри плотной туманности, в которой рождается звезда.

Именно поэтому объекты Хербига — Аро особенно интересны для наблюдений с помощью «Уэбба». Телескоп работает в инфракрасном диапазоне: такое излучение проходит сквозь заслоняющую обзор пыль лучше видимого света и позволяет заглянуть в бурные звёздные колыбели. Изучая данные «Уэбба» об объекте Хербига — Аро 168, или HH 168, Нойфельд и его коллеги заметили необычную деталь. В инфракрасном излучении газа, нагретого ударными волнами, скрывался ряд чрезвычайно слабых спектральных линий. Их длины волн совпадали с длинами волн запрещённых вращательных переходов катиона трёхатомного водорода, которые Пан и Ока рассчитали 40 лет назад.

Причём обнаружилась не одна линия: команда выявила 26 отдельных линий, и все они имели высокую статистическую достоверность. Значимость самой сильной достигла впечатляющих 72 сигм, практически исключая сомнения в обнаружении. Астрономы впервые зарегистрировали излучение этой молекулы, которого прежде не наблюдали нигде во Вселенной. И назвать его просто слабым свечением было бы недостаточно: по сравнению с последующими предсказаниями исследовательских моделей молекула буквально сияла.

Однако интерес представляло не только само присутствие сигнала, но и его расположение в турбулентном газе, через который прошли ударные волны от струй молодой звезды. Распределение излучения точно совпадало с распределением излучения обычного молекулярного водорода H₂. Это указывало на то, что обе молекулы реагируют на одни и те же экстремальные условия.

Объяснить, почему в таких условиях трёхатомный водород излучает настолько ярко, оказалось сложнее. Исследователи попытались воспроизвести наблюдения с помощью моделей ударных волн, но ни один из двух подходов не дал полностью удовлетворительного результата.

Одна модель хорошо описывала излучение обычного молекулярного водорода, но занижала интенсивность сигнала трёхатомного водорода в пять-шесть раз. Другая гораздо лучше согласовывалась с наблюдаемым излучением трёхатомного водорода, однако предполагала условия за пределами диапазона, для которого была подтверждена её достоверность. Почему сигнал оказался настолько ярким, ещё предстоит выяснить. Впрочем, другая деталь этой загадки указывает на то, что, каким бы ни был механизм, Вселенной относительно легко воспроизвести его.

Изучив архивные наблюдения «Уэбба» за другим объектом Хербига — Аро, HH 211, команда обнаружила такое же характерное излучение и там. Всё это время Пан и Ока были правы: для подтверждения их предсказания не хватало лишь достаточно чувствительного инструмента. Теперь же сам трёхатомный водород может стать инструментом, который поможет учёным разобраться в химических процессах, превращающих простейший элемент Вселенной в поразительное многообразие космоса.

Источник