Teleskop Webba wychwycił "zakazane" linie H3+. Przełom w chemii kosmosu

Obserwacje wykonane Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba (JWST) pozwoliły zespołowi astronomów kierowanemu przez Davida Neufelda z Johns Hopkins University dostrzec niezwykle subtelną emisję związaną z kationem trójwodorowym (H3+). To właśnie ta cząsteczka jest jednym z fundamentów chemii międzygwiezdnej – uczestniczy w reakcjach prowadzących do powstawania bardziej złożonych związków, w tym cząsteczek organicznych. Problem polegał na tym, że jeden szczególny rodzaj światła, który H3+ powinien wytwarzać podczas ruchu obrotowego, przez lata pozostawał poza zasięgiem obserwacji.

Już w 1986 r. Fu-Shih Pan oraz Takeshi Oka z Uniwersytetu Chicagowskiego wskazywali, że obracający się H3+ powinien emitować bardzo słabe światło. W typowych warunkach budowa tej cząsteczki utrudnia powstanie klasycznego widma rotacyjnego, jednak – jak przewidywano – niewielkie odkształcenia pojawiające się pod wpływem sił odśrodkowych mogą uruchamiać emisję tzw. "zakazanych" linii spektralnych. Tyle że sygnatura miała być na tyle nieuchwytna, iż dotychczasowe możliwości laboratoryjne nie pozwalały jej wiarygodnie wyłapać.

Kluczowy moment nastąpił podczas badań obiektu Herbig-Haro 168 (HH 168), kojarzonego z burzliwą fazą rozwoju młodej gwiazdy. Wyrzucane z okolic formującego się obiektu strumienie materii zderzają się z otaczającym gazem, wywołując silne fale uderzeniowe. W ich wyniku gaz rozgrzewa się do tysięcy stopni, a obłoki zaczynają wyraźnie świecić w podczerwieni. JWST, zaprojektowany właśnie do bardzo czułych obserwacji w tym zakresie i zdolny "zajrzeć" przez przesłaniający pył, okazał się narzędziem, które potrafiło wydobyć sygnał H3+ z tego środowiska.

Analiza danych przyniosła identyfikację łącznie 26 linii widmowych pasujących do przewidywanych "zakazanych" przejść rotacyjnych kationu trójwodoru. Najsilniejszy zarejestrowany sygnał osiągnął poziom 72 sigma, co w praktyce oznacza znikome prawdopodobieństwo, że jest to przypadkowa fluktuacja lub błąd pomiaru. Jak relacjonował ScienceAlert, wcześniejsze modele sugerowały znacznie słabszą emisję, tymczasem odczyty JWST pokazały, że w obszarze szoku gazowego wokół świeżo powstałej gwiazdy jest ona dużo intensywniejsza, niż zakładano.

Wyniki uruchomiły jednocześnie nowe pytania o fizykę procesów, które wzmacniają emisję H3+. Symulacje komputerowe dobrze odtwarzały to, co widać w promieniowaniu wodoru cząsteczkowego (H2), ale w przypadku H3+ przewidywania okazały się wyraźnie zaniżone – nawet kilkukrotnie w porównaniu z obserwacjami. To sygnał, że obecne ujęcia teoretyczne dla takich warunków mogą wymagać korekt i dalszych testów.

Co istotne, podobny typ emisji udało się zidentyfikować również w innym obiekcie Herbig-Haro – HH 211. To wzmacnia przypuszczenie, że "zakazane" linie H3+ mogą pojawiać się we Wszechświecie częściej, a ich wcześniejszy brak w danych wynikał głównie z ograniczeń czułości instrumentów. Badacze zakładają, że H3+ może stać się użytecznym narzędziem do śledzenia złożonych procesów chemicznych zachodzących w najwcześniejszych etapach formowania się gwiazd.