Една от най-важните молекули във Вселената дълго време е оставала скрита от погледа на учените. Става дума за трихидрогенния катион (H₃⁺) – молекула, която играе фундаментална роля в химичните процеси, протичащи в междузвездното пространство, включително във формирането на сложни органични съединения, съдържащи основните градивни елементи на живота. Заради изключителното ѝ значение учените често я наричат „молекулата, създала Вселената“.

Трихидрогенният катион вече е откриван в междузвездни газови облаци, а присъствието му има отношение и към образуването на полярните сияния на Юпитер. Съществува обаче един специфичен вид излъчване, което тази молекула би трябвало да генерира при въртенето си. Теоретичното му съществуване е предсказано още през 1986 г., но в продължение на четири десетилетия сигналът остава неуловим – включително при опитите да бъде регистриран в лабораторни условия.

Сега международен екип от астрономи, ръководен от Дейвид Нойфелд от университета „Джонс Хопкинс“, успява да засече това изключително слабо излъчване благодарение на космическия телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST). Сигналът идва от газ, намиращ се на хиляди светлинни години от Земята. Откритието не само потвърждава едно четири десетилетия старо теоретично предсказание, но и може да даде на учените нов инструмент за изследване на мощните ударни вълни, създавани от новородените звезди, както и на поведението на H₃⁺ в екстремни космически условия.

Защо този сигнал е толкова необичаен?

За да разберем значението на откритието, трябва да разгледаме особената структура на трихидрогенния катион. Той се състои от три водородни ядра, които споделят два електрона помежду си, образувайки структура с формата на равностранен триъгълник. Тази симетрична конфигурация означава, че молекулата няма постоянен електричен диполен момент и съответно не би трябвало да излъчва обичайния спектър на чисто въртеливите преходи, характерен за много други молекули.

Когато една молекула се върти, преразпределението на електрическия заряд може да създаде електромагнитно излъчване. При H₃⁺ обаче зарядът остава практически равномерно разпределен, което прави подобно излъчване изключително трудно за регистриране. Още през 1986 г. астрофизиците Фу-Шъ Пан и Такеши Ока от Чикагския университет изчисляват, че въпреки тази особеност трихидрогенният катион би трябвало да излъчва изключително слаба светлина при въртенето си.

Обяснението се крие в един фин физичен ефект. При достатъчно бързо въртене центробежните сили леко деформират идеално симетричната структура на молекулата. Това минимално отклонение създава изключително слаб електричен диполен момент, който позволява на молекулата все пак да излъчва електромагнитна радиация. Получените преходи са толкова слаби, че се определят като „забранени“. Това название обаче не означава, че те нарушават физичните закони, а че не се допускат от обичайните правила, регулиращи молекулното излъчване.

Теоретичното предсказание остава непотвърдено в продължение на близо 40 години, тъй като сигналът е твърде слаб дори за най-чувствителните лабораторни експерименти. Необходима се оказва необичайна комбинация от изключително чувствителен телескоп и подходяща космическа среда – именно такава, каквато се създава около младите звезди.

Новородените звезди са ключ към тайната

Ключът към откритието се оказва специфичен тип космически обекти, известни като обекти на Хербиг–Харо. Те се образуват по време на ранните етапи от живота на звездите, когато младата звезда активно поглъща материал от околния газопрахов диск. Не цялото вещество обаче попада в нея. Под въздействието на мощни магнитни полета част от материята се изхвърля обратно в Космоса под формата на тесни, силно концентрирани струи, които могат да достигнат скорости от стотици километри в секунда.

Когато тези мощни потоци се сблъскат с околните молекулярни облаци, възникват огромни ударни вълни. Те нагряват газа до температури от хиляди градуси, предизвиквайки интензивно излъчване. Това е сравнително кратък, но изключително важен етап от еволюцията на звездите, който астрономите се опитват да разберат по-добре. Наблюденията обаче са затруднени от факта, че тези процеси често протичат дълбоко във вътрешността на плътните мъглявини, от които се раждат звездите.

Именно тук телескопът „Джеймс Уеб“ има решаващо предимство. Неговите инструменти са специално проектирани да наблюдават инфрачервеното излъчване, което преминава през космическия прах значително по-ефективно от видимата светлина. Това позволява на телескопа да надникне в иначе скритите области на звездообразуване и да регистрира процеси, които досега са били изключително трудни за изследване.

Екипът на Нойфелд анализира наблюденията на обекта Хербиг–Харо 168 (HH 168), разположен в областта на звездообразуване Цефей А. Сред инфрачервеното излъчване на нагретия от ударните вълни газ изследователите забелязват поредица от изключително слаби спектрални линии. Техните дължини на вълната съвпадат с тези на забранените въртеливи преходи на трихидрогенния катион, предсказани от Пан и Ока още преди четири десетилетия.

Откритието не се основава само на една случайно регистрирана линия. Учените идентифицират общо 26 отделни спектрални линии, всички с висока статистическа достоверност. Най-силният сигнал достига впечатляващата стойност от 72 сигма – показател за изключително висока степен на статистическа увереност, която практически изключва вероятността наблюдението да е резултат от случайност. Така за първи път астрономите успяват да регистрират този специфичен тип излъчване от H₃⁺ в Космоса.

Още по-изненадващо се оказва, че сигналът е значително по-силен, отколкото първоначалните очаквания биха предполагали. Сравнението с последващите теоретични модели показва, че молекулата излъчва много по-интензивно, отколкото учените са очаквали. Това поставя нови въпроси относно физичните условия в областите, където мощните звездни струи взаимодействат с междузвездния газ.

26 спектрални линии и нови въпроси пред науката

Изследователите установяват, че разпределението на излъчването от H₃⁺ в HH 168 до голяма степен съвпада с това на обикновения молекулярен водород (H₂). Това подсказва, че двете молекули реагират на едни и същи екстремни условия в нагретия газ, образуван от ударните вълни.

Опитите на екипа да възпроизведе наблюденията чрез съществуващите модели на ударни вълни обаче разкриват несъответствия. Единият модел успява сравнително добре да обясни излъчването на молекулярния водород, но подценява интензитета на сигнала от H₃⁺ между пет и шест пъти. Другият модел се доближава повече до наблюдаваното излъчване на трихидрогенния катион, но изисква физични условия извън диапазона, в който е бил експериментално валидиран.

Това означава, че учените все още не разполагат с пълно обяснение защо сигналът е толкова силен. Вероятно са необходими допълнителни изследвания на взаимодействията между молекулите и енергичните частици в нагретия газ, както и усъвършенстване на съществуващите модели за физиката на космическите ударни вълни.

Допълнително потвърждение идва от анализа на архивни наблюдения на друг обект от същия тип – Хербиг–Харо 211 (HH 211). При повторното разглеждане на данните от „Джеймс Уеб“ екипът открива същото характерно излъчване на трихидрогенния катион. Това е особено важно, защото показва, че явлението вероятно не е изолиран случай, а може да се среща и в други области на активно звездообразуване.

Според изследователите откритието потвърждава, че теоретичните изчисления на Пан и Ока от 1986 г. са били правилни. Липсвал е единствено достатъчно чувствителен инструмент, който да улови изключително слабия сигнал. Сега в лицето на телескопа „Джеймс Уеб“ астрономите вече разполагат с подобна възможност.

Снимка: Unsplash/ESA/Webb, NASA, CSA, T. Ray

Виж още: Скалa, потънала на 90 километра под земната повърхност, разкри неочаквана загадка