Лаборатория естественной химии в ударных волнах протозвезды

Жизнь существует благодаря тому, что элементы объединяются в сложные органические молекулы. Астрохимия изучает этот процесс, пытаясь понять, как природа создает молекулы на основе углерода, необходимые для жизни. Одним из источников таких молекул являются выбросы протозвезд.

Протозвезды растут за счет аккреции газа и при этом выделяют энергию. Протозвезды еще не начали синтезировать водород, поэтому их энергия поступает от ударных волн на поверхности, возникающих при столкновении с падающим газом. Они также могут испускать высокоскоростные потоки газа в виде астрофизических струй. Эти струи уносят избыточный угловой момент, позволяя протозвездам продолжать расти. Кроме того, струи создают световые удары в межзвездной среде (МЗС).

Подобные ударные фронты — это места, где концентрируются энергия и материя. Под воздействием тепла и давления одни молекулы распадаются, а другие соединяются, и все это происходит очень быстро.

В результате этих толчков образуются некоторые сложные молекулы, и недавние исследования в области астрономии и астрофизики представляют подробный взгляд на химический состав протозвездных струй. Исследовательская статья называется "PRODIGE—конверт на диск с NOEMA VII. (Сложные) органические молекулы в оттоке NGC1333 IRAS 4B1: новая лаборатория ударной химии". Ведущим автором является Лаура Буш, научный сотрудник Центра астрохимических исследований Института внеземной физики имени Макса Планка.

PRODIGE — это проект «Протозвезды и диски: глобальная эволюция». В рамках проекта PRODIGE с помощью мощного радиотелескопа Northern Extended Millimeter Array, расположенного во Французских Альпах, были изучены 32 протозвезды в молекулярном облаке Персея и 8 протозвезд в молекулярном облаке Тельца. Проект изучает «... угловой момент, плотность, температуру, турбулентность и химический состав протозвезд и звезд, предшествующих главной последовательности, в те эволюционные эпохи, когда начинается формирование планет». Исследование PRODIGE завершилось в конце 2025 года.

«Ударная химия — отличный инструмент для изучения механизмов образования и разрушения сложных органических молекул (СОМ)», — пишут авторы. Несмотря на то, что проект PRODIGE представляет собой исследование, эти протозвездные ударные волны еще недостаточно изучены на большой выборке.

В этой работе авторы исследовали истечения вещества из протозвезды класса 0 IRAS 4B1, двойной звезды в области звездообразования NGC 1333. Основное внимание они уделили ударным областям, которые одновременно генерируют и разрушают кометные облака.

«Один из ключевых вопросов астрохимии — понимание того, как в процессе звездообразования растет молекулярная сложность, в том числе процессы образования и разрушения сложных органических молекул, — поясняют авторы. — Ударные волны, проходящие через спокойную среду, сильно влияют на локальный химический состав. »

«Работая над отдельным проектом PRODIGE по картированию метилцианида (CH?CN) в направлении IRAS 4B1, я заметил выбросы, которые, судя по всему, связаны с истечением вещества, а не с горячим окружением формирующейся звезды, — рассказал ведущий автор исследования Буш в пресс-релизе. — Это побудило меня поискать в данных более сложные молекулы — и я их нашел».

Исследователи сообщают о первом обнаружении трех органических соединений: CH3CN (ацетонитрил), CH3CHO (ацетальдегид) и CH2DOH (дейтерированный метанол).

Ацетонитрил важен тем, что это азотсодержащая молекула, которые встречаются относительно редко. Это важная молекула в так называемой азотной химической сети.

Ацетальдегид важен тем, что содержит кислород и является одним из простейших кислородсодержащих органических соединений. Он занимает промежуточное положение в углеродно-кислородной химии, и механизм его образования до сих пор неясен. Но его присутствие является убедительным доказательством того, что в протозвездной среде могут синтезироваться пребиотические соединения.

Присутствие дейтерированного метанола в потоках также имеет большое значение, но не с точки зрения пребиотической химии. Он должен разрушаться в нагретой среде потоков, поэтому его присутствие можно сравнить с окаменелостями. Вероятно, он образовался в газовом облаке на дозвездной стадии, а затем попал в ледяные мантии. Под воздействием ударных волн он высвободился из этих ледяных мантий, но остался цельным.

У всех молекул разные показатели излучения, что позволяет исследователям определять их присутствие в потоках вещества, выявляя области с разной температурой и плотностью. Некоторые молекулы присутствуют там, где температура выше, другие — там, где она ниже. Это говорит о том, что разные молекулы образуются по-разному. Но нам еще многое предстоит узнать и раскрыть.

«Впервые нам удалось надежно зафиксировать в потоке IRAS 4B1 такие соединения, как CH3CN, CH3CHO и CH2DOH, — пишут авторы. — Целенаправленные наблюдения позволят обнаружить новые соединения и провести более детальный анализ их эмиссии».

Детально изучен только один протозвездный выброс. Он получил название L1157-B1 и считается прототипом таких богатых химическими элементами выбросов. Он является объектом более тщательных наблюдений, и авторы этой работы говорят, что столь же тщательные наблюдения за IRAS4B1 позволят им «... обнаружить менее распространенные химические соединения и составить полный химический состав выброса IRAS4B1».

«В сочетании с моделированием это позволит получить важную информацию о процессах формирования и разрушения комет, а также о структуре и кинематике их оттока», — заключают авторы.

На изображении:

Астрономы изучили истечение вещества из протозвезды класса 0 и обнаружили сложные молекулы, такие как метанол. Они образуются в среде ударной волны, где истечение вещества сталкивается с межзвездной средой.

Фото: NASA, ESA, CSA, STScI