Иллюстрация различных сценариев связывания OH, наблюдаемых в темном облаке Cha I с помощью JWST. Три спектральные особенности, соответствующие трем связям OH, выявлены в спектрах вдоль линий зрения в направлении Cha I. В представленной здесь межзвездной ледяной пылинке каждая связующая среда OH представлена «вырезом» во льду, и указана ее соответствующая спектральная особенность поглощения. Окружение один (справа) соответствует OH-растяжкам молекул H2O, полностью связанным с соседними молекулами H2O во льду, в основном ответственным за интенсивную особенность поглощения H2O на ∼3 мкм. Окружения два (слева) и три (в центре) соответствуют OH-растяжкам молекул H2O, не полностью связанным с соседними молекулами воды, т. е. свисающим OH. Окружение два (левая сторона) иллюстрирует свисающий OH в преимущественно водной ледяной среде, но не полностью связанный с окружающими молекулами воды (2,703 мкм), в то время как окружение три (в центре) иллюстрирует свисающий OH во взаимодействии с другими молекулярными видами во льду (2,753 мкм). Этот рисунок призван проиллюстрировать различные возможные ледяные среды, которые способствуют наблюдаемым особенностям поглощения свисающего OH, и мы не рисуем полное распределение химического состава между зернами или однородность зерен вдоль наблюдаемой линии зрения. Фоновое изображение Ча I. Кредит: NASA, ESA, CSA и M. Zamani (ESA/Webb); Наука: MK McClure (Лейденский университет), F. Sun (Обсерватория Стюарда), Z. Smith (Открытый университет) и команда Ice Age ERS
Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), группа исследователей, в которую входят Паола Казелли, Барбара Микела Джулиано и Базиль Ускине из MPE, глубоко проникла в плотные ядра облаков, обнаружив детали межзвездного льда, которые ранее были ненаблюдаемы. Исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, фокусируется на регионе Хамелеон I, используя NIRCam JWST для измерения спектроскопических линий в направлении сотен звезд за облаком.
Впервые были обнаружены слабые спектроскопические особенности, известные как «болтающиеся OH», указывающие на то, что молекулы воды не полностью связаны во льду. Эти особенности могут проследить пористость и модификацию ледяных зерен по мере их эволюции от молекулярных облаков до протопланетных дисков. Это открытие расширяет наше понимание структуры ледяных зерен и их роли в формировании планет.
Благодаря беспрецедентной чувствительности JWST мы можем исследовать льды глубоко внутри плотных ядер облаков, где вымирание настолько велико, что оно ускользало от внимания предыдущих обсерваторий.
Эти линии взгляда являются недостающим звеном между первоначальным образованием льдов на поверхности пылевых частиц в молекулярных облаках и агрегацией ледяных частиц в ледяные планетезимали, все еще малоизученный процесс, который происходит в протопланетном диске, окружающем новую звезду. Заглянув глубоко в место рождения звезд, мы получим новые подсказки об этих модификациях ледяных частиц.
В программе «Ледниковый период», направленной на изучение региона Хамелеон I, плотной облачной области, расположенной недалеко от нас в Млечном Пути, наблюдения за самой плотной частью облака с помощью инструмента NIRCam телескопа JWST позволили провести одновременные спектроскопические измерения линий визирования в направлении сотен звезд за облаком.
Свет, излучаемый этими звездами, взаимодействует с ледяными зернами, пересекая облако, прежде чем его захватит и обнаружит большое зеркало JWST. До сих пор нам удавалось измерять основные, интенсивные характеристики поглощения, связанные с основными видами во льду, а именно водой, углекислым газом, окисью углерода, метанолом и аммиаком.
Благодаря большому размеру зеркала телескопа мы теперь можем измерять гораздо более слабые характеристики. Глубокие исследования положений и профилей слабых спектроскопических характеристик раскрывают некоторые физические состояния объекта. Здесь мы впервые обнаружили определенный набор очень слабых полос, связанных лишь с небольшой долей молекул воды во льду.
Спектроскопические особенности, названные «висячими ОН» лабораторными астрофизиками, которые измеряли их в лабораторных льдах на протяжении десятилетий, соответствуют молекулам воды, которые не полностью связаны со льдом, и могут отслеживать поверхности и интерфейсы внутри ледяных зерен или когда вода тесно смешана с другими молекулярными видами во льду.
«Висячие ОН»-объекты находятся в спектральной области, недоступной с Земли, и хотя их активно искали с 1990-х годов, предыдущие космические обсерватории, работавшие в этом спектральном диапазоне, не обладали необходимым сочетанием спектрального разрешения и чувствительности для их обнаружения, обеспечивая лишь верхние пределы.
Теперь, в эпоху JWST, мы можем использовать эти сигнатуры для отслеживания изменений ледяных зерен на пути к формированию планет. Давно предполагалось, что, если их обнаружить, эти сигнатуры можно будет использовать для отслеживания пористости льдов, то есть их присутствие будет сигнализировать о «пушистых» зернах с высокой пористостью, а их отсутствие будет сигнализировать об уплотнении и агрегации.
Хотя эта простая интерпретация остается предметом споров, успешное обнаружение этих признаков теперь означает, что мы можем искать их в разных средах и в разное время в процессе звездообразования, чтобы определить, можно ли их использовать в качестве индикатора того, как лед эволюционирует в разных условиях.
«Обнаружение особенностей связей с водой в ледяных мантиях демонстрирует важность лабораторной астрофизики для интерпретации данных JWST», — говорит Барбара Микела Джулиано, один из авторов.
«Подробная информация о физических свойствах наблюдаемых льдов по-прежнему требует обширной поддержки со стороны лаборатории, чтобы расшифровать спектральные свойства, наблюдаемые в плотных областях межзвездной среды и протопланетных дисках. Здесь, в CAS, мы рады оказать такую поддержку», — добавляет она.
«Высокая чувствительность JWST в сочетании с впечатляющими достижениями в области лабораторной астрофизики наконец-то позволяет нам подробно изучать физическую структуру и химический состав межзвездных льдов», — говорит Паола Казелли, которая вместе со своим аспирантом Базилем Юскине также внесла свой вклад в эту статью.
«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 волнительно быть частью этого начинания».
Это исследование показывает, что в облаке присутствуют потенциально «пушистые» ледяные зерна, влияющие на химические процессы, которые могут происходить в этих регионах, и, следовательно, на степень химической сложности, которая может накапливаться.
Это открытие также открывает новые горизонты в изучении формирования планет, поскольку, в конечном итоге, эти спектральные особенности позволяют нам составить представление о пространственном распределении и изменении льдов, а также о том, как они эволюционируют на своем пути от молекулярных облаков до протопланетных дисков и планет.
Информация от: Обществом Макса Планка
