Астрономы обнаружили удивительное место рождения космических (молекул в форме футбольного мяча, напоминающие полые сферы)

Спустя 15 лет после того, как западные астрономы впервые обнаружили в космосе «бакиболы» (молекулы в форме футбольного мяча, напоминающие полые сферы), они вернулись с потрясающими снимками и обширными данными, полученными с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) — самого мощного из когда-либо созданных космических телескопов. Команда под руководством профессора физики и астрономии Яна Ками впервые обнаружила бакиболы с помощью космического телескопа «Спитцер» в 2010 году. Фантастическая находка была сделана в планетарной туманности Tc 1, образовавшейся из умирающей звезды на расстоянии более 10 000 световых лет от нас в созвездии Жертвенника.

Эти молекулы, состоящие из 60 идеально расположенных атомов углерода, были впервые синтезированы в 1985 году в Университете Сассекса сэром Гарри Крото и его коллегами. Это открытие принесло им Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Крото назвал молекулу «бакминстерфуллерен» в честь знаменитого архитектора Бакминстера Фуллера, который спроектировал и построил геодезические купола, в основе конструкции которых лежат те же принципы.

Крото сразу предположил, что бакиболы широко распространены в космосе, но Ками и его коллегам потребовалось еще 25 лет, чтобы доказать его правоту в исследовании.

И вот теперь западная команда вернулась к изучению Tc 1, на этот раз вооружившись большим количеством данных, полученных с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (Mid-Infrared Instrument, MIRI) космического телескопа «Джеймс Уэбб». Это позволило сделать первый в истории детальный снимок планетарной туманности. Результат впечатляет.

На новом снимке видны тонкие лучи, нитевидные волокна и мерцающие газовые оболочки по всему кадру (более горячий газ светится голубым, а более холодный — красным). В центре туманности находится неземная структура, напоминающая перевернутый вопросительный знак, которая намекает на то, что мы еще не до конца понимаем все ее особенности.

«Объект Tc 1 и сам по себе был необычным, ведь именно он показал нам, что в космосе существуют бакиболы, но это новое изображение говорит о том, что мы коснулись лишь верхушки айсберга, — сказал Ками, главный исследователь новой программы JWST General Observer (GO). — Структуры, которые мы видим сейчас, поражают воображение и вызывают столько же вопросов, сколько и дают ответов».

По словам Ками, это изображение — первый шаг к серии результатов, которые обещают стать знаковыми. Новые наблюдения с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» включают в себя не только изображения, но и обширные спектроскопические данные — подробные химические характеристики газа и молекул во всей туманности. В настоящее время готовится несколько научных статей.

«Когда мы предложили провести эти наблюдения, мы знали, что Tc 1 — особенный объект. Но то, что показал нам телескоп «Джеймс Уэбб», превзошло все наши ожидания. Мы уже получаем новые данные о природе самих бакиболов и о том, почему они так ярко светятся в этом объекте. Над этими вопросами мы бьемся уже пятнадцать лет. Это один из тех наборов данных, которые будут занимать нас еще долгие годы», — сказал Элс Питерс, профессор физики и астрономии.

Красота в деталях

Помимо обычной камеры, прибор MIRI телескопа «Джеймс Уэбб» может фиксировать химический состав газа и пыли в любой точке туманности. Этот метод, известный как спектроскопия с помощью интегрального поля (IFU), позволяет ученым составить карту не только внешнего вида туманности Tc 1, но и ее состава: температуры, плотности, химического состава и движения газа по всей туманности. В результате мы получаем чрезвычайно ценную информацию о физике и химии умирающей звезды.

«Каким бы прекрасным ни было это изображение, для меня это прежде всего набор данных. Резкость и чувствительность телескопа «Джеймс Уэбб» не сравнятся ни с чем из того, с чем я работала раньше, — говорит Чарми Бхатт, кандидат наук в области физики и астрономии из Университета Западного Онтарио. — Структуры, которые были для нас совершенно невидимы, теперь проступают с потрясающей четкостью: оболочки, лучи, мельчайшие детали внешнего гало». И что особенно важно, благодаря спектроскопии интегральных полевых единиц мы теперь можем напрямую связать все морфологические особенности, которые мы видим на изображении, с химическими и физическими процессами, происходящими в туманности. Именно это сочетание делает данный набор данных таким ценным.

Молекула внутри молекулы

Среди первых открытий, сделанных благодаря новому набору данных, — трехмерное распределение самих бакиболов. Кандидат наук в области физики и астрономии Морган Гизе проанализировала излучение C60 в новых данных и обнаружила, что бакиболы не разбросаны хаотично по туманности, а сосредоточены в тонкой сферической оболочке, окружающей центральную звезду.

«Мы тщательно измерили свойства бакиболов во всем нашем массиве данных, а затем составили карту их расположения. Как ни странно, эти микроскопические полые сферы на самом деле имеют форму полой сферы. Бакиболы расположены так, как будто это один гигантский бакибол. Мы все еще пытаемся понять, почему они расположены именно так, но очень интересно наблюдать за тем, как в наших данных появляются все эти маленькие детали», — сказал Гизе.

Вопросительный знак в космосе

Среди самых поразительных деталей нового изображения — тонкая изогнутая структура в центре туманности, которая до жути напоминает перевёрнутый вопросительный знак. Её происхождение пока неизвестно, и это одна из нескольких загадочных деталей — наряду с яркими лучами и тонкими нитями светящегося вещества, — которые команда исследователей попытается объяснить в своих будущих статьях.

«Мы приложили немало усилий для анализа данных, потому что у нас было много вопросов о бакиболах и их окружении. Спустя долгое время мы наконец подумали, что вот-вот получим ответы, но вместо этого туманность показала нам гигантский вопросительный знак прямо перед носом. У Вселенной жестокое чувство юмора», — сказал кандидат наук в области физики и астрономии Саймон Ван Шуйленберг.

Жизнь и смерть звезды, похожей на Солнце

Tc 1 — это то, что остается после того, как звезда, похожая на наше Солнце, исчерпывает запасы ядерного топлива и сбрасывает внешние слои в виде расширяющихся оболочек из газа и пыли. Оставшееся горячее ядро звезды — белый карлик — испускает ультрафиолетовое излучение, заставляя выброшенный газ светиться. Этот процесс, длящийся десятки тысяч лет, формирует сложные структуры, которые теперь можно увидеть с помощью телескопа «Джеймс Уэбб». Богатый углеродом химический состав Tc 1, в том числе бакиболов, отражает состав породившей его звезды: это окно в мир звездной эволюции, запечатленное в молекулах.

«Обнаружение бакиболов в космосе важно, потому что это помогает ученым, таким как мы, отслеживать химические процессы с участием углерода, объяснять загадочные сигналы и понимать, как органические материалы изменяются в экстремальных условиях. Их открытие также поставило под сомнение традиционные представления о космической химии и дало подсказки о том, как могла зародиться жизнь, — говорит научный сотрудник Дрис Ван Де Путте, который работает над другим источником, демонстрирующим эмиссию фуллеренов. — Я пытаюсь выяснить, образовались ли эти бакиболы так же, как на Земле, или в результате совершенно другого процесса».

Поразительное изображение было обработано Кейтлин Бикрофт, учительницей естественных наук в средней школе, а также увлеченным и талантливым астрономом-любителем. Бикрофт регулярно водит своих учеников на экскурсии в Мемориальную обсерваторию Хьюма Кронина при Западном университете. Ками обратилась к ней, потому что Бикрофт обладает исключительным мастерством в выявлении едва заметных структур в необработанных данных телескопа.

«Обычно, когда я работаю над снимком, у меня уже есть представление о том, как выглядит объект и чего ожидать при обработке данных. В случае с Tc 1 изображений туманности почти нет, а те, что есть, не идут ни в какое сравнение с разрешением снимков, сделанных телескопом «Джеймс Уэбб». Есть что-то удивительное в том, чтобы увидеть и передать все мельчайшие детали туманности, особенно если видишь ее впервые», — сказал Бикрофт.

Наблюдения проводились в рамках программы JWST GO-4706.

Благодаря этим инвестициям Western смогла собрать разноплановую команду из опытных исследователей и аспирантов со всего мира, которая стала мировым лидером в изучении космических фуллеренов. В настоящее время готовится ряд статей с описанием научных результатов.

Источник: Science

На изображении:

На снимке планетарная туманность Tc 1, сделанная с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона (Mid-Infrared Instrument, MIRI) космического телескопа «Джеймс Уэбб». Прибор сочетает в себе девять фильтров, охватывающих диапазон длин волн от 5,6 до 25,5 микрометра, что намного превышает возможности человеческого глаза. Синие тона обозначают более горячий газ на более коротких средних инфракрасных волнах, а красные — более холодный материал на более длинных волнах. Изображение обработано Кэтилин Бикрофт с помощью PixInsight.

Источник: NASA / ESA / CSA / Западный университет, Дж. Ками