Как аммиак поможет найти жизнь на других планетах: уникальное открытие астрономов

Астрономы всегда искали способы изучать экзопланеты — планеты, находящиеся за пределами нашей солнечной системы. Одним из таких способов является анализ изотопов — атомов одного и того же элемента, но с разным количеством нейтронов в ядре. Изотопы могут рассказать многое о происхождении, возрасте и условиях образования планеты, а также о ее расстоянии от звезды.

До сих пор единственными изотопами, которые можно было измерить в атмосфере экзопланеты, были изотопы углерода, связанные в молекуле оксида углерода. Однако недавно команда ученых смогла обнаружить изотопологи аммиака — молекулы, отличающиеся только составом изотопов — в атмосфере холодного бурых карлика. Бурые карлики — это объекты, находящиеся на границе между звездами и планетами: они похожи на гигантские газовые планеты по многим параметрам, поэтому их можно использовать как модельную систему для изучения газовых гигантов.

В своей работе ученые наблюдали бурого карлика, называемого WISE J1828, который находится в 32,5 световых годах от Земли; на небосводе он расположен в созвездии Лиры. WISE J1828 невидим невооруженным глазом: с эффективной температурой (то есть температурой абсолютно черного тела, которое излучало бы такое же количество энергии, как наблюдаемый объект) всего 100°C, он слишком холоден для того, чтобы в нем происходило синтез водорода и он отправлял свет на Землю. Для того, чтобы увидеть эту ультрахолодную звезду класса Y, зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) были повернуты в сторону Лиры летом 2023 года. Среднеинфракрасный прибор (MIRI), инфракрасный детектор, установленный на борту JWST, позволил раскрыть изотопологи аммиака на WISE J1828. В диапазоне длин волн от 4,9 до 27,9 мкм среднеразрешающий спектрометр (MRS) MIRI записал спектр бурых карлика, где, помимо аммиака, исследователи наблюдали молекулы воды и метана, каждая с характерными полосами поглощения. В частности, аммиак вызывает ослабление сигнала, поступающего на детектор, в диапазоне длин волн от 9 до 13 мкм. Изотопологи аммиака также могут быть разрешены спектроскопически: если молекулы аммиака не состоят из наиболее распространенного изотопа азота 14 N, который связан с тремя атомами водорода, но из 15 N плюс три атома водорода, то дополнительный нейтрон в ядре азота обеспечивает наличие изгиба в спектре, который можно объяснить присутствием 15 NH 3.

Это первый раз, когда удалось обнаружить изотопологи аммиака в атмосфере холодного бурых карлика. Это открывает новые возможности для изучения экзопланет, так как аммиак является одним из ключевых молекулярных маркеров для определения температуры, давления и химического состава атмосферы. Кроме того, измерение соотношения изотопов аммиака может помочь установить процессы, которые формируют и эволюционируют планеты, такие как аккреция, дифференциация и миграция. Например, изотопы азота могут указывать на источник воды на планете, так как водород, связанный с 15 N, имеет большую массу и меньше склонен к потере из атмосферы, чем водород, связанный с 14 N. Таким образом, изотопологи аммиака могут стать новым инструментом для поиска и характеристики экзопланет, особенно тех, которые находятся в обитаемой зоне своей звезды.