Гидриды инертных газов в Космосе как вестники Большого и малых взрывов Дмитрий Вибе

Гидриды инертных газов в Космосе как вестники Большого и малых взрывов

Дмитрий Вибе

Опубликовано 16 декабря 2013

Когда на космической обсерватории субмиллиметрового диапазона «Гершель» иссякли запасы охладителя, участники проекта утешали научное сообщество, что телескоп выключен, но миссия его не окончена. Новых наблюдений уже не будет, но того, что было накоплено за четыре без малого года работы обсерватории, хватит на десятилетия научного анализа. Теперь всё в руках самого сообщества: результаты наблюдений на «Гершеле», в том числе и выполненные по заявкам конкретных групп, полностью выложены в открытый доступ. Поэтому авторам заявок нужно торопиться, чтобы открытия, спрятанные в их данных, не сделал кто-то другой.

Конечно, когда наблюдения проводятся для решения конкретной задачи, у автора заявки больше шансов получить интересный результат: он лучше всех знает, под каким углом нужно рассматривать полученные снимки и спектры, чтобы вытащить из них максимум интересного. Однако даже в заранее продуманных наблюдениях находится место для случайных открытий. Одно из таких открытий представлено 13 декабря 2013 года Майклом Барлоу и его коллегами: изучая пыль в остатке сверхновой, они обнаружили в Космосе новую молекулу.

Вообще, на «Гершеле» было несколько наблюдательных программ, специально предназначенных для исследования молекулярного состава межзвёздного и околозвёздного вещества. Основным инструментом в этих программах был спектрограф HIFI, обеспечивавший достаточное спектральное разрешение для измерения молекулярных линий. В программе MESS (Mass-loss of Evolved Stars, потеря массы проэволюционировавшими звёздами), по которой наблюдали Барлоу с коллегами, такая задача не ставилась. Наблюдение, принёсшее неожиданный результат, имело целью определение содержания пыли в Крабовидной туманности. Для изучения пыли высокое спектральное разрешение не требуется, поэтому туманность наблюдали при помощи прибора SPIRE. В его состав также входил спектрограф, но, скажем так, рангом пониже, чем HIFI. Тем не менее этого оказалось достаточно, чтобы увидеть две ранее не наблюдавшиеся узкие линии излучения на частотах примерно 618 и 1 235 ГГц. Различие частот в два раза — характерный признак вращательных переходов двухатомной молекулы. Сверив измеренные частоты со списком линий из Кёльнской базы данных молекулярной спектроскопии, авторы обнаружили единственное совпадение — вращательные линии ионизованного гидрида аргона ArH⁺.

Нельзя сказать, что это было ожидаемое совпадение. Аргон (а также гелий, неон, криптон, ксенон и радон) вообще-то относится к инертным газам, которые в силу особенностей устройства их атомов обладают крайне низкой химической активностью. Но некоторые соединения с их участием всё-таки возможны. Молекулярный ион ArHкаких-нибудь⁺ образуется в реакции иона аргона с молекулой водорода: Ar⁺ + H₂. В лаборатории такое сочетание создать можно при помощи хитростей, но вот объяснить одновременное наличие обоих реагентов в межзвёздном газе довольно сложно. Потенциал ионизации у аргона выше, чем у водорода. Если предположить, что аргон ионизован излучением пульсара, то странно, что водород при этом не только не ионизован, но вообще сохранился в молекулярной форме. Авторы заподозрили, что причиной является сильная неоднородность Крабовидной туманности, из-за чего в ней соседствуют разреженные области, насквозь просвеченные излучением пульсара, и плотные сгустки, в которые излучение не проникает. Если в пограничном слое между разреженным и плотным газом происходит некоторое перемешивание, его может оказаться достаточно для производства некоторого количества молекул ArH⁺.

Частоты линий молекул, в состав которых входят различные изотопы какого-либо элемента, немного разнятся, поэтому по спектру можно определить не только атомарный, но и изотопный состав вещества. Линии, обнаруженные в Крабовидной туманности, принадлежат иону гидрида аргона с изотопом ³⁶Ar. На Земле наиболее распространён другой изотоп — ⁴⁰Ar (кстати, третий по содержанию газ земной атмосферы), но земные запасы аргона сформированы главным образом радиоактивным распадом калия-40. На Солнце и в межзвёздной среде более распространён аргон-36, продукт взрывного нуклеосинтеза, сопровождающего вспышку сверхновой. Поэтому вполне ожидаемо, что в остатке сверхновой 1054 года преобладает именно этот изотоп.

Молекула ArH⁺ — первое соединение инертного газа, обнаруженное в межзвёздной среде, однако не исключено, что после идентификации в Крабовидной туманности его удастся найти и в других местах. В частности, этой молекуле могут принадлежать пока не опознанные линии в спектрах других объектов. Один из таких объектов — молекулярное облако Sgr B2, расположенное близ центра Галактики и имеющее крайне разнообразный молекулярный состав. То есть, он, может быть, не более разнообразен, чем молекулярный состав других облаков, но облако Sgr B2 значительно лучше изучено. При наблюдениях на том же «Гершеле» в спектре Sgr B2 была найдена неизвестная ранее линия поглощения на частоте 617,5 ГГц. После наблюдений Крабовидной туманности возникло подозрение, что эта линия также принадлежит молекуле ³⁶ArH⁺, ареал которой, возможно, не ограничивается неоднородностями в остатках сверхновых.

Есть серия анекдотов про спор представителей разных профессий о том, чья древнее. В одной из версий победителем выходит электрик, потому что, когда Господь сказал: «Да будет свет!», провода уже были проведены. Так и в данном случае: открытие-то неожиданное, но при этом в Кёльнскую базу данных, используемую преимущественно астрономами, переходы ArH⁺ уже были включены, причём не только для земного аргона-40, но и для космического аргона-36. Честно скажу, я не предполагал, что эта молекула и другие гидриды инертных газов так хорошо изучены и теоретически, и экспериментально. Вряд ли химики и физики, с 1960-х годов занимавшиеся исследованием спектра молекулы ArH⁺ и химических реакций с её участием, предвидели, что однажды всё это пригодится для исследования Крабовидной туманности. Такие исследования интересны и сами по себе: как же, инертные газы, а у них вдруг молекулы!

Есть ещё один ионизованный гидрид инертного газа, поиски которого в космосе ведутся, напротив, уже давно, но пока безрезультатно. Это соединение — молекула HeH. Она интересна и с земной точки зрения — как простейшая разноатомная молекула, на которой удобно проверять различные теоретические расчёты. Но ещё больший интерес она вызывает с точки зрения космологической. Ион гидрида гелия образуется в реакции объединения атома гелия с ионом водорода. Это, вероятно, была самая первая химическая реакция во Вселенной, а ион HeH⁺ был самой первой молекулой, синтез которой предшествовал синтезу молекул H₂ и HD. Правда, согласно некоторым расчётам, на роль самой первой молекулы может также претендовать ещё более экзотическое соединение — He₂⁺, — но его содержание даже в этих расчётах во все эпохи остаётся настолько ничтожным (не выше 10_-23 по числу частиц: на десять порядков ниже, чем у HeH⁺), что никакой роли в жизни Вселенной оно не играло и не играет.

Иное дело — ион гидрида гелия. Его излучение в некоторых обстоятельствах должно играть важную роль в охлаждении вещества, например, в атмосферах белых карликов, где эта молекула может быть самым распространённым ионом, или в ранней Вселенной, где никаких других охладителей просто не было. К сожалению, линии HeH⁺ приходятся на ближний и дальний ИК-диапазоны, не наблюдаемые с Земли, так что увидеть его в ближней Вселенной можно только из космоса. А вот с дальней Вселенной ситуация более обнадёживающая, поскольку красное смещение переносит линию HeH⁺ с лабораторной длиной волны 149 мкм в миллиметровый диапазон, который уже виден из-под атмосферы. Такие попытки предпринимались, но пока уверенно обнаружить излучение HeH⁺ не получилось, и его эволюция в ранней Вселенной остаётся полем деятельности для теоретиков. Но поиски, конечно, будут продолжаться, потому что было бы весьма заманчиво получить спектральную весточку с красного смещения порядка тысячи и убедиться в том, что химия в нашей Вселенной началась с элемента, который мы теперь считаем химически инертным.

К оглавлению