Метан — одна из самых загадочных молекул в космосе. На Земле его производят в основном бактерии и другие живые организмы. Поэтому, когда астрономы находят метан в атмосферах экзопланет, они сразу настораживаются: а вдруг это признак жизни? Но в межзвездной среде метан синтезируется и без всякой биологии — в холодных облаках газа и пыли, на поверхности космических льдинок.
Проблема в том, что до сих пор ученые не могли точно понять, сколько метана на самом деле скрыто в этих ледяных мантиях. Существующие модели давали погрешность. И вот уральские астрохимики из Уральского федерального университета нашли способ эту погрешность устранить.
Они создали первую в мире спектральную библиотеку межзвездных льдов на основе метана — и сразу обнаружили, что старые оценки завышали содержание этой молекулы примерно на 20%.
Зачем замораживать метан при -266°C
В открытом космосе царит жуткий холод. Температура в центрах холодных дозвездных ядер опускается до -263°C…-266°C. При таких условиях молекулы метана (CH₄) замерзают и вмерзают в ледяные оболочки, покрывающие частицы межзвездной пыли.
Чтобы понять, что именно происходит в этих далеких облаках, астрономы изучают инфракрасные спектры космических объектов. Каждая молекула поглощает инфракрасное излучение на строго определенных длинах волн — как уникальный «отпечаток пальца». Но расшифровать эти отпечатки для метана было сложно: на Земле никто не проводил эксперименты с этой молекулой в достаточном количестве разных молекулярных окружений.
Команда под руководством Антона Васюнина, заведующего научной лабораторией астрохимических исследований УрФУ, восполнила этот пробел. Они использовали уникальную вакуумную установку ISEAge, которая позволяет создавать нанометровые пленки льда при температурах, близких к абсолютному нулю, и в условиях сверхвысокого вакуума.
Ученые сформировали лед из чистого метана, а также из его смесей с:
- водой (H₂O)
- углекислым газом (CO₂) — тем самым «сухим льдом»
- метанолом (CH₃OH) — древесным спиртом
- аммиаком (NH₃)
И записали инфракрасные спектры каждого образца.
Неожиданный результат
Оказалось, что метан в смеси с другими молекулами поглощает инфракрасный свет заметно сильнее, чем в чистом виде. Интенсивность поглощения выросла в среднем на 20%.
Что это значит? А то, что старые оценки содержания межзвездного метана, основанные на данных телескопа «Джеймс Уэбб», были завышены. Если раньше ученые думали, что видят определенное количество CH₄, то на самом деле его может быть на пятую часть меньше.
— Это важная поправка для всей астрохимии, — поясняют авторы. — Мы впервые получили экспериментальные коэффициенты, которые позволяют пересчитать наблюдения в реальные концентрации.
Открытие в данных «Джеймса Уэбба»
Но самое интересное началось, когда исследователи сопоставили свою библиотеку спектров с реальными данными, которые собрал космический телескоп «Джеймс Уэбб» при наблюдении за молодой протозвездой B335. Она находится на расстоянии 537 световых лет от Земли в созвездии Орла и представляет собой одну из самых молодых звездных систем, где активно формируются планеты.
Результат оказался неожиданным. Раньше считалось, что метановый лед в таких объектах в основном смешан с водяным льдом (H₂O). Но уральские спектры показали: около 30% твердого метана в B335 находится в окружении молекул углекислого газа (CO₂), а не воды.
Более того, количества метана и углекислого газа оказались скоррелированы. Это значит, что эти вещества формируются совместно на самых ранних стадиях образования ледяных мантий межзвездных пылевых частиц. Единый механизм, единый процесс.
— Это меняет наше представление о химической эволюции протозвездных облаков, — комментирует Антон Васюнин.
Библиотека для всего мира
Собранные спектры исследователи разместили в открытом доступе в репозитории Zenodo. Теперь любой астроном в любой точке мира может использовать эти данные для интерпретации наблюдений «Джеймса Уэбба» и других инфракрасных телескопов.
Актуальность этой библиотеки будет только расти. «Джеймс Уэбб» продолжает накапливать данные о протозвездах и дозвездных объектах. Скоро к нему присоединятся новые обсерватории. И чтобы правильно читать спектры, нужны точные лабораторные «отпечатки».
— Мы планируем исследовать метан в большем количестве протозвезд различных классов, а также попытаться оценить, в каком соотношении в ледяном метане находятся изотопы водорода и углерода, — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ).
Почему это важно для поиска жизни
Метан — двойственный персонаж. С одной стороны, он может быть биомаркером: на Земле его активно производят живые организмы. С другой стороны, в космосе он образуется и без жизни — в холодных льдах, под действием космических лучей и ультрафиолета.
Чтобы отличить одно от другого, нужно точно понимать, сколько метана может образоваться естественным путем и в каких условиях. Работа уральских астрохимиков — важный шаг к созданию такой системы координат.
— Мы учимся читать «отпечатки пальцев» Вселенной, — говорят ученые. — И каждый новый спектр приближает нас к ответу на главный вопрос: одиноки ли мы?
Итог
Уральские исследователи не просто получили красивые спектры. Они дали мировому научному сообществу инструмент — библиотеку, которая поможет точнее анализировать данные «Джеймса Уэбба». Они показали, что метан в космосе не всегда «водный», как думали раньше, а часто соседствует с углекислым газом. И они доказали, что старые оценки содержания метана были завышены на 20%.
В лаборатории УрФУ при температуре -266°C, в глубоком вакууме, рождаются ключи к разгадке химии звездных колыбелей. А значит — и к пониманию того, как устроена Вселенная, в которой мы живем.
Как вам идея, что в Екатеринбурге создают эталоны для расшифровки космических сигналов? И что обычный метан оказался не таким уж обычным? Делитесь мнениями в комментариях!
Читайте также: