Где скрывается межзвёздный кислород Дмитрий Вибе

Где скрывается межзвёздный кислород

Дмитрий Вибе

Опубликовано 06 мая 2013

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 ¹⁶O¹⁸O. 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 ? 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 ? 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 — 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…

К оглавлению