Без воды не было бы жизни, но как она возникла во Вселенной? Для образования молекулы H₂O недостаточно просто смешать водород и кислород. Нужны ещё и специальные условия, которые возникают в межзвёздных молекулярных облаках. Здесь пыль блокирует разрушающий ультрафиолет и позволяет идти химическим реакциям.
Телескоп Джеймса Уэбба, который планируется запустить в 2020 году, позволит узнать больше об этих космических лабораториях и даст новые знания о процессе образования воды и других важных для возникновения жизни молекул.
Химическая лаборатория в космосе
Молекулярное облако — это смесь пыли, атомов водорода и разнообразных молекул, начиная с простейшей молекулы водорода H₂ и заканчивая сложной углеродосодержащей органикой. Именно здесь находится большая часть воды во Вселенной. Отсюда она попадает на зарождающиеся звёзды и их планеты.
На этой анимации показан изнутри протопланетный диск вблизи молодой звезды. В нём мелкие частицы пыли в течение многих тысяч лет аккумулируют на своей поверхности слой водяного льда. Впоследствии образовавшиеся снежинки слипаются и формируют планеты. © NASA/JPL-Caltech/R. Hurt
Образование молекул воды в молекулярных облаках происходит на поверхности пылинок. На них сначала оседают атомы водорода и кислорода, а затем возникает химическая связь между ними. Здесь же углерод, соединяясь с водородом, образует метан. А азот таким же образом — аммиак.
Все эти молекулы оказываются прицепленными к поверхности пылинок и формируют в течение миллионов лет слой льда. В результате образуются своеобразные снежинки, которые затем оседают на зарождающихся планетах. Так на потенциально обитаемые миры попадают вещества, необходимые для возникновения жизни.
Точный состав льда на пылинках, однако, неизвестен. Его изучение станет одной из главных задач самого дорогого в истории космического телескопа — «Джеймса Уэбба». Результаты этих исследований позволят ответить на вопрос, всякая ли звёздная система обладает достаточным количеством необходимых для жизни компонент.
Для определения химического состава молекулярных облаков «Уэбб» задействует свои основные инструменты — инфракрасные спектрографы высокого разрешения NIRSpec и MIRI. Их разрешающая способность в области ближнего и среднего ИК в пять раз выше, чем у существующих космических инструментов.
Молодые звёзды и колыбели комет
Первым объектом для изучения молекулярных облаков для «Уэбба» станет крупная область звёздообразования, называемая Комплексом в Хамелеоне. Она располагается на расстоянии около 500 млн световых лет от нас и содержит несколько сотен протозвёзд.
Чтобы определить химический состав молекулярного облака, «Уэбб» будет наблюдать за звёздами, расположенными за этим облаком. Свет этих звёзд, проходя сквозь облако, будет частично поглощаться льдом. Степень поглощения зависит от длины волны наблюдаемого света и молекулярного состава льда — для каждой молекулы есть такие длины волн, на которых поглощение сильнее.
Измеренные спектры звёзд укажут, каков состав льда в молекулярном облаке на пути света от них. Таким образом учёные построят карту, на которой будет отмечено, какой тип льда где расположен.
Дополнительно будет регистрироваться и свет от протозвёзд внутри самого облака. У них в первую очередь учёных интересует ультрафиолетовое излучение, которое может помогать или мешать образованию различных молекул.
Телескоп Джеймса Уэбба позволит заглянуть и в протопланетные диски — газо-пылевые области вокруг молодых звёзд, в которых и формируются будущие планеты. Возможности телескопа позволят изучить состав молекулярного льда на расстоянии порядка 10 млрд км от новорожденной звезды. Приблизительно на таком расстоянии находится, например, Плутон от Солнца.
Это место, где образуются кометы. Большинство из них представляют собой слипшиеся комки пыли и льда. По современным представлениям кометы были одним из основных источников воды на Земле.
Лабораторные эксперименты
Чтобы точнее интерпретировать данные, которые получит телескоп Уэбба, учёные также проведут эксперименты на Земле. Спектрограф раскладывает приходящий свет по длинам волн - в радугу. Разные молекулы поглощают свет на разных длинах волн, в результате чего образуются так называемые тёмные спектральные линии и полосы.
В лаборатории можно с высокой точностью измерить эти линии и полосы и создать базу данных со спектральными «отпечатками» различных веществ. Сравнивая их с данными телескопа, можно определить, какие молекулы или семейство молекул располагались там, где прошёл свет от звезды.
Угостить автора кофе
Подписывайтесь также на мой канал в Telegram!
