Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) открыл глубины межзвёздного пространства с беспрецедентной ясностью, предоставив человечеству окно в космос с высоким разрешением. Международная группа исследователей использовала эту возможность, чтобы изучить, как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — органические молекулы и ключевые участники космической химии — выживают в суровых условиях космоса, и раскрыть механизм их устойчивости.
ПАУ в условиях космического пространства
ПАУ были обнаружены в холодных молекулярных облаках, где они подвергаются постоянной бомбардировке высокоэнергетическим ультрафиолетовым излучением и космическими лучами. Эти энергетические частицы не только ионизируют и фрагментируют, но и должны разрушать молекулы. Однако ПАУ остаются неповреждёнными.
Новое исследование
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, сообщается, что ПАУ с замкнутой оболочкой, такие как катион инденила, используют удивительную стратегию выживания: вместо того чтобы распадаться, они эффективно рассеивают избыточную энергию через периодическую флуоресценцию и инфракрасное излучение. Этот механизм позволяет им противостоять экстремальным условиям космоса гораздо эффективнее, чем считалось ранее.
Уникальные свойства ПАУ
ПАУ рассеяны в межзвёздном пространстве, служа одним из крупнейших резервуаров углерода в галактике. Они содержат до 10–25% этого элемента, необходимого для построения жизни. Эти молекулы имеют уникальные инфракрасные сигнатуры, обнаруженные с помощью радио- и инфракрасной астрономии.
Высокочувствительные инфракрасные данные JWST вместе с более ранними находками, полученными с помощью космического телескопа «Спитцер», подтвердили, что ПАУ широко распространены в космосе. Катионы инденила с замкнутой оболочкой были обнаружены в тёмных межзвёздных облаках, в то время как их ионизированные аналоги, как ожидается, присутствуют в более ярких областях звездообразования.
Лабораторные эксперименты
Предыдущие лабораторные эксперименты, изучающие эти органические молекулы, показали, что радикальные катионы ПАУ с открытой оболочкой охлаждают свою избыточную энергию через периодическую флуоресценцию — тип флуоресценции, который возникает, когда молекула, перешедшая в более низкое электронное состояние, поглощает тепло, чтобы вновь возбудиться, а затем излучает фотон, возвращаясь в основное состояние. Однако эти исследования анализировали это явление только у радикалов, а не у нейтральных ПАУ с замкнутой оболочкой, которые наблюдал JWST.
Для этого исследования учёные сосредоточились на катионе инденила (C₉H₇⁺), ПАУ с замкнутой оболочкой, имеющем отношение к межзвёздным облакам. Холодные условия межзвёздного пространства были смоделированы с помощью DESIREE, электростатического накопительного кольца с ионным пучком в Стокгольме, которое может хранить ионы в течение нескольких часов при криогенных температурах (~13 K) и сверхнизком давлении. Ионы C₉H₇⁺ в кольце были внутренне активированы, чтобы имитировать условия после энергичных столкновений.
Затем учёные наблюдали за поведением ионов — теряли ли они энергию путём фрагментации или радиационного охлаждения? Собранные данные были проанализированы с использованием модели основного уравнения (теоретическое моделирование) и молекулярной динамики ab initio (метод вычислительной химии).
Результаты показали, что катион инденила эффективно охлаждался за счёт комбинации инфракрасного излучения и особенно периодической флуоресценции, даже когда он начинал с колебательной энергией до 5,85 эВ, что намного выше его порога диссоциации. Периодическая флуоресценция оказалась доминирующим механизмом охлаждения при высоких внутренних энергиях, гораздо более эффективным, чем только инфракрасное излучение. Кроме того, экспериментальные данные хорошо согласовывались с моделью основного уравнения, когда модели включали периодическую флуоресценцию, а не исключали её, подтверждая её важность в процессе радиационной стабилизации.
Исследователи отмечают, что их выводы помогают объяснить, почему ПАУ с замкнутой оболочкой более распространены в космосе, чем ожидалось — это понимание необходимо для улучшения моделей межзвёздной химии.