Новейший космический телескоп НАСА не только позволяет астрономам заглянуть глубже во Вселенную, но и достигает более низких температур, чем это удавалось ученым ранее.
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST или Webb), самая мощная космическая обсерватория на сегодняшний день, заглянул глубоко в плотное молекулярное облако и обнаружил богатое разнообразие первозданного межзвездного льда, включая ряд молекул, имеющих решающее значение для жизни. Обнаруженные при температуре минус 440 градусов по Фаренгейту (минус 263 градуса по Цельсию), эти находки являются самыми холодными льдами, когда-либо измеренными.
«Мы просто не смогли бы наблюдать эти льды без Уэбба», — говорится в заявлении Клауса Понтоппидана, астронома из Научного института космического телескопа и автора нового исследования, описывающего работу.
Уэбб изучал окрестности, которые ученые называют Хамелеон I. Расположенный в южном созвездии Хамелеона, примерно в 500 световых годах от Земли, это один из ближайших регионов звездообразования, с десятками очагов, изобилующих молодыми звездами. Этот регион принадлежит к семейству того, что астрономы долгое время считали дырами в небе: темные молекулярные облака, настолько плотные от газа и пыли, что видимый свет от фоновых звезд не может проникнуть сквозь них.
Облака, подобные «Хамелеону I», являются звездными питомниками; их коллапс со временем приводит к образованию звезд и потенциально скалистых планетных систем. Однако химический состав этих систем и любых строительных блоков жизни, которые они могут содержать, определяется льдами, расположенными глубоко внутри молекулярного облака.
Теперь, благодаря мощным приборам Уэбба, включая его камеру ближнего инфракрасного диапазона с глубоким проникновением (NIRCam), астрономы проникли в пыльное сердце Хамелеона I и обнаружили льды на ранних стадиях их эволюции — непосредственно перед тем, как ядро облака разрушится, образуя протозвезды.
Команда использовала свет от двух фоновых звезд, NIR38 и J110621, чтобы осветить Хамелеон I в инфракрасном диапазоне длин волн. Различные молекулы облака, заключенные во льдах, поглощают звездный свет в разных инфракрасных длинах волн. Затем астрономы изучили химические отпечатки пальцев, которые проявлялись в виде провалов в результирующих спектральных данных. Эти данные помогли команде определить, сколько молекул присутствует в Chameleon I.
«Нетронутый облачный лед»
Команда обнаружила ожидаемый набор основных соединений, поддерживающих жизнь: воду, углекислый газ, монооксид углерода, метан и аммиак. Наблюдения также выявили признаки карбонилсульфидного льда, что позволило провести первые измерения того, сколько серы — по крайней мере, еще одного элемента, необходимого для жизни на Земле, — присутствует в молекулярных облаках. Исследователи также обнаружили простейшую сложную органическую молекулу, метанол, которая, как считается, является однозначным индикатором сложных ранних химических процессов, происходящих на ранних стадиях формирования звезд и планет.
«Это первый случай, когда исследователи смогли изучить состав так называемых предзвездных льдов вблизи центра молекулярного облака», — говорится во втором заявлении Мелиссы Макклюр, астронома Лейденской обсерватории в Нидерландах и ведущего автора исследования.
Тот факт, что команда обнаружила метанол, говорит о том, что звезды и планеты, которые в конечном итоге сформируются в этом облаке, «унаследуют молекулы в довольно продвинутом химическом состоянии», — говорится в заявлении Уилла Роша, другого астронома Лейденской обсерватории. «Это может означать, что присутствие пребиотических молекул в планетных системах является обычным результатом звездообразования, а не уникальной особенностью нашей собственной солнечной системы».
Кроме того, метанол можно комбинировать с другими более простыми видами льда с образованием аминокислот, которые являются строительными блоками белков. Эти соединения могут включать глицин — одну из простейших аминокислот. В 2016 году европейский космический аппарат «Розетта» обнаружил глицин в пыли, окружающей комету 67P/Чурюмова-Герасименко.
Почему пылинки и льды важны для создания пригодных для жизни экзопланет
Молекулярные облака, такие как Хамелеон I, начинаются как рассеянные области пыли и газа. На поверхности пылинок образуются льды, содержащие важные молекулы, необходимые для жизни, включая последние открытия астрономов.
По мере того как облака накапливаются в сгустки газа и продвигаются к звездообразованию, эти льды увеличиваются в размерах, оставаясь слоистыми на пылинках. Многие химические реакции, необходимые для образования сложных молекул, необходимых для жизни, ускоряются, когда они происходят на твердой поверхности, такой как пылинка, а не в газообразной форме. Таким образом, пылинки становятся важнейшими катализаторами превращения простых органических элементов в сложные молекулы, которые в конечном итоге могут стать строительными блоками жизни.
Более того, когда звезды начинают формироваться и температура повышается, летучая природа этих льдов позволяет им снова превращаться в газы, и именно так они оказываются в горячих ядрах звезд и, в конечном счете, в атмосферах планет. Обнаружение этих нетронутых льдов внутри «Хамелеона I» позволяет астрономам проследить путь соединений от пребывания на пылинках до встраивания в ядра и атмосферы будущих звезд и экзопланет.
Благодаря данным Уэбба астрономы уже знают, что количество обнаруженных элементов в Хамелеоне I гораздо меньше, чем ожидали ученые, учитывая плотность облака. Например, исследователи обнаружили всего 1% от ожидаемого содержания серы, 19% от прогнозируемых содержания кислорода и углерода и только 13% от прогнозируемого общего содержания азота. Исследователи отмечают в исследовании, что лучшим объяснением является то, что эти элементы могут быть захвачены в других льдах, которые не проявляются на длинах волн, наблюдаемых командой.
В ближайшие месяцы команда планирует использовать данные Уэбба для расчета размеров пылинок и формы льдов.
«Эти наблюдения открывают новое окно в пути образования простых и сложных молекул, которые необходимы для создания строительных блоков жизни», — сказал Макклюр.
The research is described in a paper (opens in new tab) published Monday (Jan. 23) in the journal Nature Astronomy.
Follow Sharmila Kuthunur on Twitter @Sharmilakg. Follow us on Twitter @Spacedotcom and on Facebook.