молекулярный водород

В недрах субнептунов — планет, которых в Галактике больше всего, но на которых нельзя стоять — силикатная магма и водород смешиваются в один сверхкритический коктейль. Раньше считалось, что под плотной водородной атмосферой лежит чёткая граница с расплавленным силикатом, как масло над водой.

В недрах плотного молекулярного облака, на границе с зоной ионизированного газа, действует невидимый химический конвейер. Он берёт простейшие компоненты — отдельные атомы и лёгкие молекулы — и шаг за шагом собирает из них длинные углеродные цепочки и ароматические кольца. Первое звено этого конвейера долго оставалось неуловимым для наблюдений. Теперь оно обнаружено.

В чёрных глубинах космоса, на поверхности крошечных ледяных пылинок, идёт своя тихая стройка. Там, где температура падает почти до абсолютного нуля, а вокруг — жёсткое излучение, обычная аминокислота глицин (простейший белковый кирпичик) соединяется сама с собой.

Диск из газа и пыли вращается вокруг молодой звезды HV Tau C почти ребром к нам. Телескоп Джеймса Уэбба заглянул в его спектр и заметил свечение горячего молекулярного водорода (H₂) — частиц, состоящих из двух атомов водорода. Оно выдало широкий двусторонний ветер, который бьёт из внутренних областей далеко за пределы диска.

Семьдесят два протопланетных диска — вращающихся газопылевых кокона, полных космической пыли и газа, — попали под прицел инструмента MIRI на JWST. У большинства в космос вырываются потоки: плотные конические структуры и тонкие скоростные струи. Они бьют, как фонтаны. Этот процесс не случаен.

Долгое время астрономы искали «фабрики» самых энергичных космических лучей — частиц, несущих в себе макромир, сжатый до размеров атомного ядра. Под подозрением были колоссальные области звездообразования вроде Лебедя OB2, где сталкиваются ветры молодых гигантов. Но природа, как фокусник, спрятала сердце ускорителя в ином месте — внутри тесной двойной системы.

Вселенная в возрасте 700 миллионов лет — это шумная новостройка, где только начинают загораться первые огни. Телескопы поймали сигнал из этой далёкой эпохи: галактика REBELS-25, массивная и полная звёздного топлива. Радионаблюдения на телескопах VLA и ALMA выявили слабое, но уверенное свечение молекул угарного газа (CO).

Переполненный оркестр играет каждый свою партию, а вы пытаетесь расслышать тихий голос редкой флейты — её мелодия тонет в звуках скрипок и труб. Примерно так выглядит охота за молекулами в межзвёздных облаках: телескопы ловят «радиоголоса» множества веществ, и разобрать нужный сигнал среди помех — непростая задача.

В густонаселённом центре галактики две звезды кружатся так близко, что одна сдирает с другой внешние слои — как ветер сдувает верхнюю одежду. Остаётся горячее гелиевое ядро, звезда без водородной оболочки. Лёгкие и очень массивные звёзды такого типа астрономам хорошо знакомы: первые называют горячими субкарликами, вторые — звёздами Вольфа-Райе.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. Его атомы напоминают миниатюрные антенны: они излучают и поглощают электромагнитное излучение на строго определённых частотах.

Галактика — не застывшая картинка, а бурлящий котёл, где из разреженного газа постоянно рождаются новые звёзды. Чтобы понять, как долго продлится это кипение, астрономы взвешивают главный ингредиент — холодный молекулярный водород. Сам он невидим, но его выдаёт угарный газ (CO), который светится в радиодиапазоне.

Почти полвека астрономы целенаправленно искали в межзвёздной среде глицин — простейшую аминокислоту, один из фундаментальных строительных блоков белков.

В плотном газовом коконе вокруг молодой массивной звезды, словно в гигантской химической колбе, сталкиваются потоки вещества. Один из них движется относительно нас со скоростью около 11 километров в секунду, другой — около 5. Телескоп в Онсале (Швеция) уловил их радиоголоса и разложил на сотни спектральных линий — отпечатков молекул.

Далекий город сквозь запотевшее стекло: яркие огни расплываются, детали теряются. Примерно так астрономы видят газ с ионами магния (магний) в нашей Галактике — самые сильные спектральные линии «зашкаливают», не давая понять, сколько вещества на самом деле.

Костёр, сложенный из чистого спирта, горит жарко и почти не даёт дыма. Примерно так же светили первые звёзды — в них не было тяжёлых элементов, только водород и гелий, оставшиеся после Большого взрыва. Один такой «костёр», возможно, удалось поймать телескопу «Джеймс Уэбб» в галактике GN-z11.

Лист бумаги почти ничего не весит, но если сложить сто листов в стопку, получится уже ощутимая пачка. Примерно так же поступили с материалом, который отлично умеет превращать один цвет света в другой, но только пока он толщиной в один атом. Один слой — как один лист: работает красиво, но слишком тонко, чтобы дать много света.

В плотном облаке газа и пыли, где рождаются звёзды-гиганты, телескоп ALMA разглядел нечто знакомое. Четыре тонкие струи газа вылетают из одной и той же области, и каждая оставляет за собой цепочку ярких узелков — как пунктирная линия. Каждый узелок — это отдельный «выстрел»: звезда выбрасывает газ не ровным потоком, а порциями, с перерывами. Две струи изгибаются, как буква S.

Радиотелескопы зафиксировали спектральные линии излучения компактного горячего источника G358.93-0.03 MM1 — кокона, внутри которого формируется массивная протозвезда. В этом излучении были идентифицированы линии гликоламида — молекулы, построенной на углеродном скелете.

Задолго до того, как в газовом облаке вспыхнет звезда, там уже кипит химическая жизнь. В холодных и плотных сгустках газа — их называют беззвёздными ядрами — атомы слипаются в молекулы, простые и посложнее. Чтобы разглядеть эту невидимую кухню, астрономы навели сорокаметровый радиотелескоп в Йебесе на 23 таких облака в туманности Ориона.

Когда комета 3I/ATLAS вошла в Солнечную систему из межзвёздного пространства, её заметили астрономы. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» применил метод спектроскопии — разложил свет от газового облака кометы в спектр, подобный радуге, но с тёмными и яркими линиями, характерными для конкретных атомов и молекул.

Газовое облако размером с небольшую галактику падает на Млечный Путь со скоростью в сотни километров в секунду. Такие облака называют высокоскоростными, и до сих пор в них не находили звёзд — только газ. Теперь в одном из них, которое носит имя Complex H, астрономы разглядели пару молодых звёздных скоплений. Скоплениям 11,2 миллиона лет — по звёздным меркам это младенчество.

В облаке, где рождаются массивные звёзды, есть горячее плотное ядро. Как в переполненной кухне, где от жара плиты испаряются запахи, так и здесь тепло от молодых звёзд выпаривает молекулы с поверхности космических пылинок. Астрономы направили на такое ядро — G358.93-0.03 MM1 — большую антенную решётку ALMA в чилийской пустыне Атакама. И впервые поймали радиосигнал муравьиной кислоты.

Астрономы, используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» и метод спектроскопии — разложения света на спектральные цвета, позволяющего определить химический состав по линиям поглощения и излучения, — сумели заглянуть сквозь плотную завесу пыли в центральную область галактики IRAS 07251-0248.

Кипящий котёл: пар поднимается, вода бурлит, и температура в разных точках разная. Так и в космосе: облака газа вокруг молодых звёзд не гладкие шары, а бурлящая смесь с вихрями и перепадами плотности. Астрономы долго считали такие облака однородными, но это упрощение может искажать выводы.

Ночное небо кажется тёмным, но на самом деле оно заполнено слабым свечением. Большая часть этого света рождается в невидимых облаках холодного газа — того самого, из которого появляются новые звёзды. Этот газ почти не излучает, поэтому его трудно заметить. Но иногда он выдаёт себя радиоволнами, которые испускают молекулы угарного газа (CO).

Вокруг молодых звёзд кружатся диски из газа и пыли — как строительные площадки будущих планет. Из этого материала потом соберутся каменные миры и газовые гиганты. Поэтому химический состав диска напрямую определяет, какими станут планеты.

В воздухе, которым мы дышим, постоянно происходят невидимые глазу химические события. Одно из них — рождение и мгновенная гибель частицы с формулой H₂COO. Её называют «промежуточным соединением»: она появляется на долю секунды, когда молекулы озона сталкиваются с органическими веществами, и тут же разваливается на более простые осколки.

В холодном газовом облаке у самого центра нашей Галактики, которое астрономы обозначают как G+0.693-0.027, прячется настоящая химическая лаборатория. Там, вдали от звёзд, на поверхности крошечных пылинок — размером с частицы дыма — атомы слипаются в молекулы, как тесто на кухонном столе.

Фен, направленный на кусок льда, срывает с поверхности пар и капли, и лёд постепенно тает. Примерно так же работает ветер из центра нашей Галактики: он подхватывает холодные облака газа и уносит их прочь, попутно разогревая и разрывая на части. Астрономы решили впервые систематически поискать в этом потоке молекулы — самый холодный и плотный вид газа.

В тёмных, холодных облаках космоса, где рождаются звёзды, пылинки покрываются тонким слоем льда. Этот лёд — не просто замёрзшая вода, а смесь разных молекул: угарный газ, углекислый газ, азот и другие. Долгое время астрономы не могли найти в этом льду закись азота (N2O) — тот самый «веселящий газ», который используют в медицине.

Телескоп Джеймса Уэбба смотрит на звезду TRAPPIST-1 — крошечный красный карлик, вокруг которого кружат семь планет размером с Землю. И видит необычное: яркие вспышки на этой звезде едва достигают 3500–4000 градусов. Для сравнения, обычная солнечная вспышка раскаляется до 9000–10000 градусов. Почему так холодно? Ответ прячется в самой атмосфере звезды.