Вода в космосе: как телескоп Джеймс Уэбб открыл невероятный цикл ее перерождения

Вода — это не только жизненно важный ресурс для нас, землян, но и одна из самых распространенных и загадочных молекул во Вселенной. Она образовалась еще до появления солнечной системы, но ее история на ней за закончится. Вода может переживать различные циклы разрушения и образования в зависимости от условий, в которых она находится. И одним из таких условий является наличие ультрафиолетового излучения, которое может как разрушать, так и создавать воду в дисках, формирующих планеты.

Это удивительное открытие сделала международная команда астрономов, в которую входят Элс Питерс и Ян Ками из Университета Западной Онтарио. Они использовали самый мощный космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), который запустили в космос в конце 2021 года. JWST способен проникать в самые глубокие и темные уголки космоса и изучать сложные химические процессы, происходящие там.

Одним из объектов исследования команды стал протопланетный диск d203-506, расположенный в центре туманности Ориона, одного из самых известных и красивых образований на небе. Туманность Ориона — это питомник планетных систем, где рождаются новые звезды и планеты. Но это также место, где действует сильное ультрафиолетовое излучение, исходящее от массивных звезд. Именно это излучение влияет на судьбу воды в диске d203-506.

Как объясняют ученые, когда ультрафиолетовый свет попадает на молекулу воды, он разрывает ее на атомы водорода и кислорода. Атом водорода улетает в космос, а атом кислорода остается в диске. Затем, когда ультрафиолетовый свет попадает на атом кислорода, он может связать его с другим атомом кислорода, образуя молекулу кислорода. А если ультрафиолетовый свет попадает на молекулу кислорода, он может оторвать от нее один атом кислорода, оставляя за собой молекулу гидроксила. Гидроксил — это ключевой промежуточный продукт в образовании воды, так как он может соединиться с атомом водорода, который прилетает из других источников, например, из комет или астероидов. Таким образом, вода может снова образоваться в диске.

Этот цикл разрушения и образования воды происходит очень интенсивно в диске d203-506. По оценкам ученых, каждый месяц в этом диске испаряется и восстанавливается эквивалент всей воды, составляющей океаны Земли. Это означает, что вода в космосе не является статичной и неизменной, а динамичной и адаптивной. Она может приспосабливаться к разным условиям и переживать разные стадии своего существования.

Как же ученые смогли обнаружить этот удивительный процесс? Они использовали уникальные возможности телескопа Джеймс Уэбб, который может наблюдать за излучением, которое испускают молекулы, когда они взаимодействуют с ультрафиолетовым светом. Это излучение имеет определенные характеристики, которые зависят от типа молекулы и ее состояния. Например, когда молекула гидроксила образуется или разрушается, она испускает фотоны, которые имеют определенную длину волны и интенсивность. Эти фотоны можно зарегистрировать с помощью спектрографа, который является частью телескопа Джеймс Уэбб. Спектрограф разбивает свет на разные цвета и измеряет их интенсивность. Таким образом, ученые могут определить, какие молекулы присутствуют в диске и как они меняются под воздействием ультрафиолетового света.

Но для того, чтобы правильно интерпретировать эти данные, ученые также нуждались в помощи экспертов по квантовой физике. Квантовая физика изучает поведение атомов и молекул на самом маленьком уровне. Она позволяет понять, какие энергетические уровни имеют молекулы и как они переходят между ними, когда поглощают или излучают свет. Эти переходы определяют спектральные линии, которые видны в спектрографе. Ученые сотрудничали с коллегами из Испании и Нидерландов, которые проводили сложные расчеты квантовой динамики, чтобы воспроизвести спектры молекул гидроксила и кислорода в разных условиях. Это помогло им сравнить теоретические модели с наблюдаемыми данными и подтвердить свои гипотезы.

Это исследование является частью программы раннего научного использования PDRs4All, которая была выбрана NASA для демонстрации возможностей телескопа Джеймс Уэбб. PDRs4All — это международный консорциум, который объединяет астрономов, физиков, химиков и математиков из разных стран. Целью этой программы является изучение фотодиссоциативных регионов (PDRs) — областей в космосе, где ультрафиолетовое излучение влияет на химический состав материи. PDRs встречаются в разных местах в космосе, например, в туманностях, дисках, формирующих планеты, и в окрестностях черных дыр. Изучая PDRs, ученые могут узнать больше о происхождении и эволюции звезд, планет и жизни.

Это исследование является примером того, как современная наука требует сотрудничества и интеграции разных дисциплин. Астрономия, физика, химия и математика объединяют свои силы, чтобы раскрыть секреты Вселенной. Телескоп Джеймс Уэбб — это мощный инструмент, который открывает новые горизонты для научного познания. Он позволяет нам видеть то, что раньше было невидимо, и понимать то, что раньше было непостижимо. Он позволяет нам следить за удивительными процессами, которые происходят в космосе, и открывать новые факты о воде, одной из самых важных и удивительных молекул во Вселенной.