Где скрывается межзвёздный кислород
Несколько дней назад произошло грустное, но неизбежное событие: прекратила работу космическая обсерватория «Гершель». Она была запущена в космос 14 мая 2009 года и должна была проработать около трёх лет, однако действительность, что с ней бывает нечасто, превзошла самые оптимистические сценарии, и охладитель иссяк лишь 29 апреля, подарив проекту несколько лишних месяцев наблюдений.
Обсерватория «Гершель» работала в дальнем инфракрасном (ИК) и субмиллиметровом диапазонах, то есть способна была принимать свет с длинами волн от 55 до 672 микрон. Этот диапазон с Земли либо не виден совсем, либо виден очень плохо (в нескольких окнах прозрачности), что обидно, ибо именно на эти длины волн приходится максимум излучения холодного (десятки кельвинов) межзвёздного и околозвёздного вещества, в частности максимум теплового излучения практически всей космической пыли. Кроме того, субмиллиметровый диапазон богат спектральными линиями, принадлежащими атомам, ионам и многочисленным молекулам, также пребывающим в межзвёздном и околозвёздном пространстве.
О достижениях «Гершеля» сказано в последние дни много, и я это пересказывать не буду: что и говорить, обсерватория замечательная и результаты уникальные. Напишу лучше о проблеме, которую «Гершель» не только не помог решить, но, скорее, даже усугубил. Это проблема кислорода, третьего по распространённости элемента во Вселенной. Точнее, он третий по содержанию в звёздах, но, поскольку звёзды образуются из межзвёздного вещества, логично предположить, что и в нём кислорода должно быть много. Остаётся понять, в какой именно форме, в составе какого вещества существует межзвёздный кислород.
Во времена зарождения астрохимии, то есть в 1970-е годы, предполагалось, что основным резервуаром кислорода в межзвёздной среде (МЗС) являются молекулы воды и O2, то есть те, что мы вдыхаем и пьём на Земле. Цепочка реакций, ведущих к в этим соединениям, очень проста. Сначала космические лучи ионизуют молекулу самого распространённого элемента — водорода, в результате чего возникает ион H3 + . Ион H3 + вступает в реакцию со свободным атомом кислорода, порождая ион OH + . Этот ион реагирует с молекулой водорода, превращаясь в H2O + , ион H2O + тоже реагирует с молекулой водорода, превращаясь в H3O + , а этот последний рекомбинирует с электроном, попутно разваливаясь с образованием молекулы воды или гидроксила (OH). Гидроксил, сталкиваясь со свободным атомом кислорода, превращается в молекулу кислорода и свободный атом водорода. Я описываю эту цепочку детально, чтобы показать: химия кислорода проста и предсказуема, представляя собой, по сути, быструю «перекачку» свободных атомов кислорода в молекулы H2O и O2, итоговое относительное содержание которых по количеству атомов должно быть сопоставимо с полным содержанием кислорода, порядка 10 -5 -10 -4 .
Проверить этот вывод в наземных наблюдениях сложно, так как сильные линии воды и O2, попадающие в субмиллиметровый диапазон, не доходят до поверхности Земли, поскольку поглощаются этими же молекулами в земной атмосфере. Наблюдатели пытались обойти эту проблему при помощи различных ухищрений, например, искали излучение изотопомера 16 O 18 O. Изотопомеры, то есть молекулы, в которых один или несколько атомов замещены менее распространёнными изотопами, зачастую обладают линиями, отсутствующими у варианта с основными изотопами, которые легче наблюдать. Линии молекулы кислорода искали также в далёких галактиках, надеясь, что красное смещение сдвинет их в окна прозрачности земной атмосферы. Но наземные попытки оказались тщетными, и это уже означало, что о содержании молекулярного кислорода выше 10 -5 речи не идёт.
Первый опыт космического поиска O2 также оказался неудачным: субмиллиметровый телескоп SWAS в начале 2000-х годов линий молекулярного кислорода тоже не увидел, наложив на содержание этой молекулы ещё более строгое ограничение — не более 10 -7 . Достоверно молекула O2 была обнаружена в МЗС (точнее, в области звёздообразования ρ Змееносца) при помощи космического телескопа «Один» только в 2005 году (я традиционно указываю не год наблюдения, а год публикации). Её содержание оказалось равным 5 10 -8 , то есть на порядки ниже теоретических предсказаний.
Незначительно лучше оказалась и ситуация с водой. Правда, у воды есть линия на длине волны 1,35 см, легко наблюдаемая с Земли, поэтому сам факт наличия воды в МЗС сомнений никогда не вызывал. Но о количестве воды эта линия мало что может сказать, поскольку возникает в специфических условиях. «Обычные» линии холодной межзвёздной воды также попадают в субмиллиметровый диапазон и требуют космических наблюдений. Первую информацию о количестве воды в межзвёздных газовых облаках принёс SWAS, и оно также оказалось существенно ниже модельных предсказаний.
Было высказано предположение, что кислород не виден, потому что в составе различных молекул, прежде всего воды, примерзает к пылинкам. Чтобы мы могли его зафиксировать, ледяные оболочки пылинок должны испариться; следовательно, искать воду и O2 нужно не в межзвёздных облаках вообще, а вблизи рождающихся звёзд, нагревающих пыль и испаряющих поверхностный лёд. На «Гершель» с его высокой чувствительностью и хорошим угловым разрешением в этом отношении возлагались большие надежды. В программе наблюдений было два проекта, посвящённых молекулам O2 и H2O, — HOP (Herschel Oxygen Project) и WISH (Water in Star-forming Regions with the Herschel Space Observatory).
Результаты «Гершеля» по молекулярному кислороду не особенно вдохновляют. По сути, излучение этой молекулы удалось обнаружить только в двух местах — всё в том же ρ Змееносца (дополнив результаты «Одина») и в одном направлении на область звёздообразования в Орионе. Правда, в последнем случае содержание O2 оказалось высоким, около 10 -6 , но зато в других источниках, казавшихся перспективными, в том числе в Орионе, снова получены только верхние пределы, свидетельствующие, что содержание O2 в них не превышает 10 -9 . Иными словами, молекулярного кислорода в межзвёздном газе не просто меньше, чем предсказывает теория, его очень мало, по крайней мере, в среднем. Угловое разрешение не безгранично, поэтому нельзя исключить, что молекулярного кислорода много в каких-то очень компактных зонах, различить которые не под силу даже «Гершелю».
Ситуация с водой благодаря «Гершелю» не прояснилась, но хотя бы обогатилась новыми данными в гораздо большей степени, чем в случае с молекулярным кислородом. Воду удалось наблюдать в самых разнообразных объектах, начиная с холодных беззвёздных ядер и заканчивая массивными протозвёздами и протопланетными дисками (о них я уже писал). Однако даже в самых «тёплых» областях содержание воды не дотягивает до предсказываемого значения как минимум порядка величины.
По совокупности результатов это означает, что ни H2O, ни тем более O2 не являются основными «держателями» межзвёздного кислорода. Ещё раз подчеркну: в химии кислорода количество «белых пятен» минимально. Набор реакций ограничен и прост, все промежуточные компоненты наблюдаются, скорости реакций измерены в лаборатории. Если в среде есть свободный кислород, он должен переходить в воду и O2. Если он этого не делает, значит, его нет; то есть атомы кислорода связаны как-то иначе.
Часть их, конечно, спрятана в самих пылинках, например в минералах типа оливина и пироксена, однако эта часть ограничена содержанием других элементов (магния, кремния, железа и пр.). В целом примерно половину ожидаемого количества межзвёздных атомов кислорода приходится относить к UDO — неопознанному неидентифицированному деплицированному кислороду (unidentified depleted oxygen). В 2010 году Дон Уиттет предположил, что скрытым резервуаром для UDO могут быть органические частицы. Попадая в межзвёздные облака, они, возможно, способны «впитывать» атомы кислорода, включая их в свою структуру. И это не абстрактное предположение: органическое вещество, доставленное на Землю космическим аппаратом «Стардаст» с кометы Вильда-2, действительно переобогащено кислородом.
Результаты наблюдений воды и O2 на «Гершеле» бесценны с точки зрения астрохимии. Особенно это верно в отношении воды, для которой впервые прослежен (пока только наблюдательно; теоретики должны подтягиваться) практически весь путь от холодного дозвёздного вещества до протопланетных дисков и планет. Однако ответа на вопрос о местонахождении межзвёздного кислорода «Гершель» не дал. И это, заметьте, не какой-нибудь празеодим или менделевий; это элемент, по количеству атомов уступающий только водороду и гелию. И мы до сих пор не знаем, где искать эти атомы…
Источник
В космосе обнаружен кислород возрастом почти 13,3 миллиарда лет
В далекой-предалекой галактике под названием MACS1149-JD1, расположенной в 13,28 миллиарда световых лет от нас, астрономы нашли кислород, который, по их мнению, мог появиться там спустя всего 500 миллионов лет после Большого взрыва. Ученые, написавшие об этом открытии статью в журнале Nature, говорят, что это самое раннее по шкале возраста Вселенной обнаружение кислорода. Более того, открытая исследователями галактика стала самой далекой галактикой с надежно определенным расстоянием. Модели показывают, что первые звезды в ней начали формироваться более 13,5 миллиарда лет назад.
После Большого взрыва во Вселенной происходили сложные процессы — сначала рождались кварки, адроны и другие субатомные частицы, а вслед за ними появлялись первые атомы, которые вошли в состав первичного звездного вещества. Когда произошла рекомбинация водорода и Вселенная начала охлаждаться, она погрузилась в «темные века». Тогда еще не зажглись первые звезды и не родились квазары — активные ядра галактик со сверхмассивной черной дырой внутри. Эта эпоха завершилась «космическим рассветом» — возникновением древних галактик, которые мы регистрируем сегодня. Их поиск важен для того, чтобы определить, как происходила эволюция Вселенной и основных химических элементов.
Международная группа астрономов под руководством Такуя Хашимото из Университета Саньо в Осаке наблюдала с помощью телескопа ALMA за очень далекой галактикой MACS1149-JD1 и обнаружила очень слабое свечение ионизованного кислорода. Вследствие расширения Вселенной длина волны изначально инфракрасного излучения за время его путешествия в пространстве увеличилась более чем в десять раз. Красное смещение источника указало, что зарегистрированный учеными сигнал был испущен 13,3 миллиарда лет назад, или спустя всего 500 миллионов лет после Большого Взрыва. Это наибольшее расстояние, на котором когда-либо регистрировался кислород, и его присутствие показывает, что в этой галактике должны существовать и более ранние поколения звезд.
Вдобавок к излучению кислорода, зарегистрированному на ALMA, исследователи заметили и более слабое излучение водорода с помощью телескопа VLT. Расстояние до галактики, определенное по этим наблюдениям, согласуется с тем, которое было получено по линии кислорода. Таким образом, MACS1149-JD1 оказывается самой далекой галактикой с надежно определенным расстоянием и самой далекой галактикой, когда-либо наблюдавшейся на ALMA или VLT.
Первое увеличенное изображение показывает то, какой галактику MACS1149-JD1 увидел телескоп VLT Европейской южной обсерватории; второе – то, какой эту галактику увидел космический телескоп «Хаббл». Белыми контурами показаны зоны ионизованного кислорода, которые увидел телескоп ALMA
«Мы видим эту галактику в эпоху, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет — и оказывается, что в это время она уже была населена зрелыми звездами», — объясняет Николя Лапорт, второй автор статьи.
«Мы можем использовать эту галактику для зондирования более раннего, полностью неизвестного периода космической истории».
В течение некоторого времени после Большого Взрыва во Вселенной не было кислорода: он появился в результате процессов синтеза в недрах первых звезд и потом, когда происходили вспышки сверхновых, рассеивался в пространстве. Регистрация кислорода в MACS1149-JD1 показывает, что всего через 500 миллионов лет после начала Вселенной эти ранние поколения звезд уже сформировались и успели произвести достаточно много кислорода. Чтобы выяснить, когда первые светила начали зарождаться, исследователи реконструировали раннюю историю MACS1149-JD1 по инфракрасным данным, полученным телескопами «Хаббл» и «Спитцер». Оказалось, что наблюдаемую яркость галактики хорошо объясняет модель, где начало звездообразования относится к эпохе спустя всего 250 миллионов лет после Большого взрыва. При этом сегодня считается, что «темные века» наступили через 377 миллионов лет после рождения Вселенной — то есть следует предполагать, что MACS1149-JD1 начала формироваться еще в эпоху рекомбинации.
Таким образом, MACS1149-JD1 заставляет ученых задаться вопросом о том, когда возникли первые галактики. Возраст открытого ими объекта указывает на то, что они существовали задолго до той эпохи, на которой мы способны сейчас их регистрировать.
В прошлом самый далекий кислород был обнаружен в галактике, которая родилась спустя 700 миллионов лет после Большого взрыва. Его количество, согласно оценкам исследователей, оказалось примерно в десять раз меньше наблюдаемого количества кислорода в Солнце.
Источник
Первый внегалактический молекулярный кислород нашелся в ближайшем квазаре
J. Wang et al. / Astrophysical Journal, 2020
Ученым удалось впервые получить надежные свидетельства наличия молекулярного кислорода O2 за пределами Млечного Пути. Редкую в космосе форму вещества обнаружили в активной галактике Маркарян 231, где находится ближайший к Земле квазар. Наблюдения излучения O2 могут стать новым методом изучения мощных галактических ветров, пишут авторы в Astrophysical Journal.
Кислород — это третий по распространенности во Вселенной элемент после водорода и гелия. В процессе первичного нуклеосинтеза его практически не образовывалась, но он в больших количествах накапливается в недрах звезд, а после завершения их жизни может попадать в межзвездную среду.
Линии атомарного кислорода хорошо известны в спектрах многих астрономических объектов. Также во Вселенной в обильных количествах встречается угарный газ CO, который оказывается второй по распространенности молекулой в межзвездной среде после водорода. Тем не менее, молекулярный кислород в космосе практически не наблюдается.
Так происходит из-за высокой химической активности данного элемента, благодаря которой он быстро реагирует с другими веществами. В то же время для появления молекул среда должна быть достаточно плотной, где реакции с высокой вероятностью произойдут. Более того, многие соединения кислорода, такие как вода, намерзают на составляющих межзвездную пыль твердых частицах, в результате чего они перестают эффективно излучать в спектральных линиях.
Одно из немногих мест вне Солнечной системы, где найден молекулярный кислород, — туманность Ориона, плотная область звездообразования. Однако оценки его содержания как минимум в сто раз не дотягивают до теоретических химических моделей полностью газообразных сред. Считается, что там вещество возникло в результате воздействия порожденной молодыми звездами ударной волны.
Цзюньчжи Ван (Junzhi Wang) из Китайской академии наук и его коллеги из Великобритании, Китая и США впервые нашли надежные свидетельства существования молекулярного кислорода за пределами Млечного Пути — в активной галактике Маркарян 231. Авторы обнаружили с высокой достоверностью линию излучения вещества на частоте 118,75 гигагерц (2,52 миллиметра) в лабораторной системе отсчета.
Маркарян 231 относится к классу сейфертовских галактик, а ее ядро представляет собой квазар, причем самый близкий к Земле — расстояние до него составляет 167 мегапарсек (красное смещение z = 0,04217). Эта галактика также очень активно производит новые звезды, примерно в сто раз интенсивнее Млечного Пути, а суммарная масса истечений достигает 700 масс Солнца в год.
По уширению линии астрономы определили скорость движения вещества, которая оказалась около 450 километров в секунду. Излучение наблюдается на расстоянии примерно в десять килопарсек от центра галактики, но внутри ее диска, где могут формироваться новые светила.
Ученые предполагают, что процессы в изученной галактике могут быть похожи на ситуацию в туманности Ориона на больших масштабах. В таком случае быстрые потоки вещества из активного ядра и ударные волны внутри них не позволяют кислороду и его соединениям осесть на пылинках, возвращая их в газовую фазу.
Авторы заключают, что излучение молекулярного кислорода может стать основой нового метода изучения истечений из активных ядер галактик. По исследованиям линий угарного газа известно, что такие потоки содержат большие количества молекул, но свечение самого CO может возникать и в других компонентах галактики, а излучением молекулярного кислорода от облаков в диске можно пренебречь.
Ранее астрономы заполнили пробел в эволюции галактик «холодными квазарами», обнаружили шестикратное изображение квазара в гравитационной линзе и зафиксировали превышение разрешенного уровня яркости у первого открытого квазара.
Источник