|
Обьект 3I-ATLAS очень неравнодушен к тяжёлой воде
|
|
|
|
С течением времени в научный процесс просачивается всё больше подробностей о 3I/ATLAS. Наш третий известный межзвёздный гость привлёк внимание некоторых из самых мощных обсерваторий мира, когда был обнаружен в июле 2025 года. Некоторые из этих телескопов зафиксировали нечто необычное: изотопный состав 3I/ATLAS отличался от состава других звёзд. В новой статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters (и доступной в виде препринта на сайте arXiv), Кэндзи Фуруя из Научно-исследовательского института перспективных исследований RIKEN в Японии и его соавторы показывают, что изотопное несоответствие, вероятно, связано с «низкой металличностью» звёздной колыбели, в которой родился 3I/ATLAS.
|
|
|
|
Говоря простым языком, мы считаем, что металлы обладают определёнными свойствами. Но для астрономов «металлами» называют всё, что имеет атомный номер выше гелия и образовалось в сверхновых после гибели первого поколения звёзд. Таким образом, Вселенная со временем становится всё более «металлической», по крайней мере по астрономическим меркам, поскольку всё больше звёзд взрываются как сверхновые, образуя «всё более безумную космическую пыль», как было сказано в известном видео на YouTube.
|
|
|
|
Часть этой космической пыли имеет форму углерода, который имеет решающее значение в органической химии, но также присутствует в 3I/ATLAS. Важно отметить, что соотношение изотопов в ней не соответствует тому, что наблюдалось в нашей солнечной системе. Соотношение C-12 (то есть атома углерода с 12 протонами и нейтронами) и C-13 (атома углерода с еще одним нейтроном) для объектов в нашей Солнечной системе колеблется около 90. Соотношение для межзвездной среды в среднем составляет около 68. В 3I/ATLAS это соотношение составляло от 123 до 191, что намного выше, чем где бы то ни было, где межзвездный объект путешествовал за последние несколько миллиардов лет.
|
|
|
|
|
|
|
Еще один странный изотопный признак, который ученые обнаружили в 3I/ATLAS, - это вода. Водород имеет "тяжелую" форму, известную как дейтерий, который несет нейтрон в дополнение к единственному протону, из которого состоит сам водород. Когда астрономы измерили это соотношение дейтерия и водорода в воде 3I/ATLAS, они обнаружили, что оно составляет около 1%. По сравнению с 0,015–0,03 % для типичной кометы в Солнечной системе становится ясно, что наш межзвёздный гость содержит гораздо больше «тяжёлой воды», чем любой другой объект в нашей Солнечной системе.
|
|
|
|
Так чем же вызваны эти изотопные расхождения? Долгое время учёные считали, что высокое соотношение C-12 к C-13 объясняется тем, что комета сформировалась в среде с низким содержанием металлов. Однако, согласно статье, соотношение дейтерия и водорода также можно объяснить этой гипотезой. Чтобы доказать свою правоту, исследователи смоделировали полный жизненный цикл водяного льда — от его образования в межзвёздном облаке до превращения в скопление газа и пыли, из которого в конечном итоге сформируется звезда. Что особенно важно, они смоделировали конкретный этап этого жизненного цикла, который происходит в глубинах межзвёздного пространства.
|
|
|
|
В межзвёздной пустоте межзвёздный газ нагревается лишь до температуры около 10 кельвинов (-263 °C), что слишком мало для протекания типичных химических реакций. Одна из таких типичных химических реакций называется обогащением дейтерием, или «фракционированием дейтерия», как это названо в статье. В глубинах межзвёздного пространства она происходит только за счёт разницы в энергии.
|
|
|
|
Фракционирование дейтерия происходит из-за того, что космические лучи сталкиваются с газом и образуют трехатомные атомы водорода (H3+). Затем они иногда сталкиваются с молекулами дейтерированного водорода (HD), образуя H2D+, обычный H2 и небольшое количество избыточной энергии. При таких низких температурах у этой реакции, которая обычно является двунаправленной, не хватает энергии, чтобы вернуть H2D+ в нейтральную, инертную форму HD, то есть дейтерий остается в гораздо более нестабильной форме.
|
|
|
|
В конце концов молекулы H2D+ сталкиваются с электронами, распадаются и образуют атомы дейтерия. Эти атомы дейтерия в конечном итоге вступают в реакцию с атомами кислорода, образуя «тяжелую» воду в пропорциях, значительно превышающих те, что наблюдаются в нашей Солнечной системе.
|
|
|
|
Согласно статье, существует три основные причины такого «бунта» дейтерия, и все они связаны с низкой металличностью среды, в которой он образовался. Во-первых, в этой области меньше молекул угарного газа. CO разрушает H2D+, поэтому его меньшее количество означает, что H2D+ может дольше сохраняться в виде атомов дейтерия.
|
|
|
|
Во-вторых, это отсутствие «водородного потопа». В средах с высоким содержанием металлов ультрафиолетовые фотоны расщепляют воду на OH и H, высвобождая большое количество атомов водорода и тем самым снижая соотношение дейтерия к водороду. В средах с низким содержанием металлов вода расщепляется не так активно, а значит, в этой области меньше атомов водорода, что позволяет поддерживать относительно высокое соотношение дейтерия к водороду.
|
|
|
|
В-третьих, это относительно низкая скорость ионизации под воздействием космических лучей. В газовых облаках с большим количеством высокоэнергетических космических лучей избыточной энергии достаточно для того, чтобы обратить химический процесс, в результате которого образуется H2D+, в более стабильную форму обычного HD, тем самым снижая количество H2D+, доступного для расщепления на атомарный дейтерий. Чем ниже энергия космических лучей, тем меньше энергии поступает на эту химическую реакцию, что позволяет поддерживать уровень дейтерия выше ожидаемого.
|
|
|
|
Чтобы подтвердить эти процессы, авторы провели проверку с использованием другого распространённого компонента кометного вещества — метана. Предыдущие исследования показали, что соотношение дейтерия к водороду в метане кометы 3I/ATLAS составляет около 3 %, что всё равно на порядок выше 0,2 %, наблюдаемых в других кометах Солнечной системы, таких как 67P/Чурюмова — Герасименко. Однако относительное соотношение дейтерия и водорода в метане и воде удивительно схоже (3,4 в 3I/ATLAS и 4,8 в комете 67P). Таким образом, несмотря на то, что абсолютное содержание дейтерия в комете резко возрастает в условиях низкой металличности, соотношение дейтерия в метане к дейтерию в воде остаётся неизменным независимо от среды, в которой сформировалась комета.
|
|
|
|
По мере выхода всё новых научных работ, в которых обсуждаются различные нюансы кометы 3I/ATLAS, становится всё очевиднее, что эта комета позволила нам взглянуть изнутри на среду, в которой формировалась Солнечная система в очень ранний период её истории. И хотя мы были рады возможности изучить её, теперь она вышла за пределы нашей наблюдательной способности. Возможно, следующий межзвёздный гость будет иметь такое же соотношение дейтерия и изотопов углерода, а может, и нет, но в любом случае мы должны использовать любую возможность, чтобы изучать эти уникальные окна в историю нашей галактики.
|
|
|
|
Источник
|
