Почти 40 лет учёные пытались обнаружить излучение одной из важнейших молекул во Вселенной. Теоретические расчёты предсказывали его существование ещё в 1986 году, однако сигнал оказался настолько слабым, что зарегистрировать его не удавалось даже в лаборатории. Теперь космический телескоп «Джеймс Уэбб» впервые зафиксировал этот свет в газовом облаке, расположенном за тысячи световых лет от Земли.
Источник излучения — трёхатомный ион водорода H₃⁺, состоящий из трёх ядер водорода и двух электронов. Несмотря на простое строение, он играет ключевую роль в химии межзвёздного пространства. Именно с его участием начинается множество химических реакций в газовых облаках, включая процессы, ведущие к образованию сложных органических молекул. За это его иногда называют «молекулой, создавшей Вселенную».
Сам ион давно известен астрономам. Его обнаруживали в межзвёздных облаках, а также установили, что он участвует в формировании полярных сияний Юпитера. Но один из видов его излучения оставался неуловимым.
Причина кроется в необычной структуре иона. Три ядра водорода образуют равносторонний треугольник, а электрический заряд распределён настолько симметрично, что при вращении молекулы практически ничего не меняется. Обычно вращающиеся молекулы могут испускать электромагнитное излучение благодаря изменению распределения электрического заряда. У H₃⁺ этот механизм в обычных условиях не работает.
Однако в 1986 году физики Фу-Ши Пан и Такэси Ока из Чикагского университета предсказали исключение из этого правила. При вращении центробежные силы должны слегка деформировать треугольную структуру иона, нарушая её идеальную симметрию. Возникающего перераспределения заряда достаточно, чтобы молекула всё-таки могла испускать чрезвычайно слабое излучение.
Такие переходы называют «запрещёнными». Это не означает, что они нарушают законы физики: просто обычные правила, описывающие излучение молекул, не допускают подобных переходов. В действительности они возможны, но происходят крайне редко.
Обнаружить предсказанный сигнал удалось благодаря наблюдениям объекта HH 168 в области активного звездообразования Цефей A. Он относится к объектам Хербига — Аро, которые возникают под воздействием мощных выбросов вещества от молодых звёзд.
В процессе формирования звезда поглощает окружающий газ, но часть вещества под действием магнитных полей выбрасывается обратно в пространство узкими струями. Их скорость может достигать сотен километров в секунду. Сталкиваясь с окружающими газовыми облаками, эти потоки создают ударные волны, которые разогревают вещество до тысяч градусов.
Наблюдать такие области непросто: молодые звёзды часто окружены плотными облаками пыли. Однако телескоп «Джеймс Уэбб» работает в инфракрасном диапазоне, позволяющем заглядывать глубже в запылённые области звездообразования.
Изучая спектр излучения HH 168, исследователи под руководством Дэвида Нойфельда из Университета Джонса Хопкинса заметили необычные слабые линии. Их длины волн совпадали с предсказанными почти 40 лет назад вращательными переходами H₃⁺.
Причём речь шла не об одном случайном совпадении. Астрономы обнаружили сразу 26 отдельных спектральных линий с высокой статистической достоверностью. Для самой выраженной линии этот показатель достиг 72 сигм, что практически исключает случайное происхождение сигнала.
Но обнаружение преподнесло ещё один сюрприз. Излучение оказалось значительно ярче, чем ожидали исследователи. Когда они попытались воспроизвести наблюдения с помощью компьютерных моделей ударных волн, результаты не совпали.
Одна модель хорошо описывала излучение обычного молекулярного водорода H₂, но предсказывала сигнал H₃⁺ в пять-шесть раз слабее наблюдаемого. Другая значительно лучше воспроизводила яркость трёхатомного иона, однако требовала условий, для которых её точность ещё не была подтверждена.
При этом распределение излучения H₃⁺ в газовом облаке почти совпадало с распределением горячего молекулярного водорода. Это указывает на то, что оба вещества испытывают воздействие одних и тех же ударных волн, хотя причины неожиданно высокой яркости H₃⁺ пока остаются неясными.
Дополнительное подтверждение пришло из архивных наблюдений «Джеймса Уэбба». Исследователи изучили другой объект Хербига — Аро, HH 211, и обнаружили в нём такое же характерное излучение. Следовательно, впервые зарегистрированный сигнал не является особенностью одного-единственного газового облака.
Открытие подтвердило теоретическое предсказание 1986 года, которое почти четыре десятилетия оставалось без экспериментальных доказательств. Но его значение не ограничивается решением давней загадки молекулярной физики.
Теперь излучение H₃⁺ может стать новым инструментом для изучения ударных волн, возникающих при рождении звёзд, и химических процессов в межзвёздном газе. Особенно важно выяснить, почему в таких условиях молекула излучает гораздо сильнее, чем предсказывают существующие модели.
Исследование принято к публикации в научном журнале The Astrophysical Journal Letters и доступно на сервере научных препринтов arXiv.
