JWST проливает свет на структуру межзвездного водяного льда

Иллюстрация различных сценариев связывания OH, наблюдаемых в темном облаке Cha I с помощью JWST. В спектрах вдоль лучей зрения в направлении Cha I обнаруживаются три спектральные особенности, соответствующие трем связующим средам OH. В представленной здесь межзвездной ледяной пылинке каждая связующая среда OH представлена «вырезом» во льду и соответствующей ей спектральной особенностью поглощения. указано. Первая среда (правая часть) соответствует участкам OH молекул H₂O, полностью связанных с соседними молекулами H₂O во льду, преимущественно ответственных за интенсивный H_{Особенность поглощения >2}O при ~3 мкм. Окружения два (слева) и три (в центре) соответствуют участкам OH молекул H₂O, не полностью связанных с соседними молекулами воды, т.е. оборванным OH. Вторая среда (левая сторона) иллюстрирует висячий ОН в среде преимущественно водяного льда, но не полностью связанный с окружающими молекулами воды (2,703 мкм), тогда как третья среда (в центре) иллюстрирует висячий ОН во взаимодействии с другими молекулярными видами во льду ( 2,753 мкм). Этот рисунок предназначен для иллюстрации различных возможных ледяных сред, которые способствуют наблюдаемым особенностям поглощения висячих ОН, и мы не рисуем полное распределение химического состава между зернами или однородность зерен вдоль наблюдаемого луча зрения. Фоновое изображение Ча I. Авторы: NASA, ESA, CSA, and M. Zamani (ESA/Webb); Science: MK McClure (Leiden University), F. Sun (Steward Observatory), Z. Smith (Open University), and the Ice Age ERS Team

Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), группа исследователей, в которую входили Паола Казелли, Барбара Микела Джулиано и Базиль Хускине из MPE, исследовала глубокие ядра плотных облаков, раскрывая детали межзвездного льда, которые ранее были недоступны для наблюдения. Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, фокусируется на регионе Хамелеон I, используя камеру NIRCam JWST для измерения спектроскопических линий в направлении сотен звезд за облаком.

Впервые были обнаружены слабые спектроскопические особенности, известные как «висячий ОН», указывающие на то, что молекулы воды не полностью связаны во льду. Эти особенности могли бы проследить пористость и модификацию ледяных зерен по мере их эволюции от молекулярных облаков к протопланетным дискам. Это открытие расширяет наше понимание структуры ледяных зерен и ее роли в формировании планет.

Благодаря беспрецедентной чувствительности JWST мы можем исследовать лед глубоко в плотных ядрах облаков, где поглощение настолько велико, что оно ускользало от предыдущих обсерваторий.

Эти лучи зрения являются недостающим звеном между первоначальным образованием льда на поверхности пылевых частиц в молекулярных облаках и агрегацией ледяных зерен в ледяные планетезимали — до сих пор малоизученным процессом, который происходит в протопланетном диске, окружающем новую звезду. Заглядывание вглубь места рождения звезд даст новые подсказки об этих модификациях ледяных зерен.

В программе «Ледниковый период», нацеленной на регион Хамелеон I, область плотных облаков, близкую к нам в Млечном Пути, наблюдения самой плотной части облака с помощью инструмента NIRCam компании JWST позволили провести одновременные спектроскопические измерения линий зрения в направлении сотен звезд позади Млечного Пути. облако.

Свет, излучаемый этими звездами, взаимодействует с ледяными крупинками, когда он пересекает облако, а затем улавливается большим зеркалом JWST и обнаруживается. До сих пор нам удавалось измерить основные, интенсивные характеристики поглощения, связанные с основными веществами во льду, а именно с водой, углекислым газом, окисью углерода, метанолом и аммиаком.

Благодаря большому размеру зеркала телескопа мы теперь можем измерять гораздо более слабые детали. Углубленные исследования положений и профилей слабых спектроскопических особенностей позволяют выявить некоторые физические состояния объекта. Здесь мы впервые обнаружили особый набор очень слабых полос, связанных лишь с небольшой частью молекул воды во льду.

Спектроскопические особенности, названные лабораторными астрофизиками, которые десятилетиями измеряли их в лабораторных льдах, «висячими OH», соответствуют молекулам воды, которые не полностью связаны со льдом, и могут отслеживать поверхности и границы раздела внутри ледяных зерен или когда вода тесно перемешан с другими молекулярными видами во льду.

«Висячие детали OH» лежат в спектральной области, недоступной с Земли, поэтому, хотя их активно искали с 1990-х годов, предыдущим космическим обсерваториям, охватывающим этот спектральный диапазон, не хватало сочетания спектрального разрешения и чувствительности, необходимых для обнаружения их, устанавливая только верхние пределы.

Сейчас, в эпоху JWST, мы можем использовать эти сигнатуры, чтобы отслеживать изменения ледяных зерен на пути к формированию планет. Давно предполагалось, что в случае обнаружения эти признаки можно будет использовать для отслеживания пористости льдов, т.е. их присутствие будет сигнализировать о «рыхлых» зернах с высокой пористостью, тогда как их отсутствие будет сигнализировать об уплотнении и агрегации.

Хотя эта простая интерпретация остается предметом споров, успешное обнаружение этих сигнатур теперь означает, что мы можем искать их в разных средах и в разное время в процессе формирования звезд, чтобы определить, можно ли их использовать в качестве индикатора того, как лед развивается в разных условиях.

«Обнаружение оборванных связей воды в ледяной мантии демонстрирует важность лабораторной астрофизики для интерпретации данных JWST», — говорит Барбара Микела Джулиано, одна из авторов.

«Детальная информация о физических свойствах наблюдаемых льдов по-прежнему требует обширной поддержки со стороны лаборатории, чтобы разобраться в спектральных свойствах, наблюдаемых в плотных областях межзвездной среды и протопланетных дисков. Здесь, в CAS, мы рады предоставить такую поддержку», — добавляет она.

«Высокая чувствительность JWST, а также впечатляющие достижения в лабораторной астрофизике, наконец, позволяют нам подробно изучать физическую структуру и химический состав межзвездных льдов», — говорит Паола Казелли, которая вместе со своим доктором философии. студент Базиль Юскине - также внес свой вклад в работу над статьей.

«Это крайне важно для обеспечения строгих ограничений на химическое/динамическое моделирование, необходимое для реконструкции нашей астрохимической истории, от межзвездных облаков до протопланетных дисков и звездных систем, подобных нашей. Очень интересно быть частью этого начинания».

Это исследование показывает, что в облаке присутствуют потенциально «пушистые» ледяные зерна, влияющие на химический состав, который может происходить в этих регионах, и, следовательно, на степень химической сложности, которая может накапливаться.

Это открытие также открывает новое окно в изучении формирования планет, поскольку, в конечном итоге, эти спектральные особенности позволяют нам составить представление о пространственном распределении и вариациях льдов, а также о том, как они эволюционируют на своем пути от молекулярных облаков к протопланетным дискам и планетам..

Больше информации: J. A. Noble et al, Detection of the elusive dangling OH ice features at ~2.7 μm in Chamaeleon I with JWST NIRCam, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02307-7

Источник: Max Planck Society