Специалисты из лаборатории астрохимических исследований УрФУ смогли воспроизвести межзвездные льды, содержащие метан, которые часто обнаруживаются в космическом пространстве, и впервые зафиксировали их инфракрасные характеристики – спектры. Метан играет важную роль в химии межзвездной среды и является перспективным индикатором при поиске признаков жизни на экзопланетах. Используя полученные спектры, ученые изучили данные, собранные крупнейшим космическим телескопом «Джеймс Уэбб». Анализ показал, что вблизи молодых звезд метановый лед не всегда присутствует в смеси с водяным льдом, как предполагалось ранее. Существенная часть метанового льда оказалась смешана с «сухим льдом», состоящим из углекислого газа. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysics.
Метан – одна из самых распространенных молекул в межзвездной среде. Он представляет интерес для ученых как возможный признак при поиске жизни на экзопланетах. Дело в том, что на Земле значительная часть метана образуется в процессе метаболизма живых существ, главным образом бактерий. Однако в межзвездной среде это соединение формируется без участия живых организмов. Исследования демонстрируют, что в открытом космосе метан обычно находится в твердом состоянии, заключенный в ледяных оболочках, покрывающих частицы межзвездной пыли.
Для обнаружения метана в подобных ледяных образованиях астрономы изучают инфракрасные спектры космических объектов. Различные соединения поглощают излучение в определенном диапазоне длин волн, что делает каждый спектр своеобразным уникальным идентификатором. До настоящего времени анализ таких спектров в отношении метана оставался затруднительным, поскольку на Земле не проводилось достаточного количества экспериментов с этой молекулой в разнообразных молекулярных структурах льда.
Специалисты Уральского федерального университета впервые получили инфракрасные спектры ледяных образований, содержащих смеси метана с водой, углекислого газа, метанола и аммиака. Подобные соединения формируют ледяные оболочки на пылевых частицах, присутствующих в темных молекулярных облаках и являющихся предшественниками звезд.
В рамках исследования авторы использовали уникальную вакуумную установку ISEAge для проведения экспериментов при двух температурах: -263°С (10 Кельвинов) и -266°С (6,7 Кельвинов). Эти значения соответствуют реальным условиям, наблюдаемым в центрах холодных дозвездных ядер. В такой камере создавались нанометровые пленки льда, состоящие из чистого метана, а также из его смесей с другими веществами в различных соотношениях.
Было установлено, что метан, находящийся в смеси с другими молекулами, поглощает инфракрасное излучение значительно эффективнее, чем в изолированном состоянии. В смесях интенсивность поглощения метана в среднем превышала таковой для чистого вещества на 20%, при расчете интенсивности поглощения которого ранее использовались определенные значения. Исходя из этого, оценки концентрации межзвездного метана, представленные в ряде научных работ и основанные на данных, полученных с инфракрасного телескопа «Джеймс Уэбб», вероятно, завышены примерно на 20%.
Наблюдались также изменения в характеристиках полос поглощения при смешивании метана с метанолом и аммиаком, что позволяет различить эти смеси от метана, ассоциированного с водяным льдом. Это даёт перспективу для изучения условий формирования метана в разнообразных астрохимических процессах.
Собранные на приборе ISEAge спектры были помещены в библиотеку, где их сопоставили с данными, полученными телескопом «Джеймс Уэбб» во время наблюдения за молодой протозвездой B335, расположенной в 537 световых годах от Земли в созвездии Орла. Анализ результатов выявил, что примерно 30% твердого метана в B335 окружены молекулами углекислого газа, а не водой, как предполагалось ранее. Обнаружена взаимосвязь между количеством метана и углекислого газа, что свидетельствует об их одновременном формировании на ранних этапах образования ледяных мантий межзвездной пыли.
«Полный комплект спектральных данных был опубликован нами и доступен в открытом репозитории Zenodo, полученные сведения будут доступны всем ученым для анализа новых данных, полученных телескопом «Джеймс Уэбб». Ценность этих данных будет возрастать с поступлением новых инфракрасных наблюдений протозвезд и дозвездных объектов. В перспективе планируется изучить метан в большем количестве протозвезд, относящихся к разным классам, а также попытаться определить соотношение изотопов водорода и углерода в ледяном метане, — сообщает руководитель проекта, руководитель научной лаборатории астрохимических исследований УрФУ Антон Васюнин.
Предоставлено Департаментом по связям с общественностью Уральского федерального университета