Duck tails-1: молекулярный азот в комете Чурюмова-Герасименко

Rubin et al., Molecular nitrogen in comet 67P/Churyumov-Gerasimenko indicates a low formation temperature. Science, 10.1126/science.aaa6100, 2015

Молекулярный азот — весьма распространённое соединение. Это основной компонент атмосфер Земли и Титана; предполагается, что азот в твёрдой и газовой фазах является одним из основных компонентов атмосфер и поверхностей Плутона и Тритона. Кроме того, астрохимические модели предсказывают, что в дозвёздном веществе молекула N₂ является основным резервуаром азота. К сожалению, наблюдать молекулярный азот в дозвёздных объектах невозможно, и о его присутствии приходится судить по другим соединениям азота (аммиаку, HCN, N₂H⁺), содержания которых должны уступать содержанию молекулярного азота на многие порядки величины.

Это же относится и к кометам. Попытки обнаружить в кометах молекулярный азот, точнее, ион N₂⁺, по линиям в ближнем ультрафиолетовом диапазоне были, в основном, безуспешными. Убедительно продемонстрировать наличие эмиссионной линии N₂⁺ удалось только для кометы C/2002 VQ94 (LINEAR) при помощи телескопа БТА-6 (САО РАН) команде украинских, российских и французских учёных.

Но теперь всё изменилось. «Ловить» молекулы азота в кометном хвосте можно непосредственно. Авторы работы Rubin et al. исследовали содержание молекулярного азота у ядра кометы Чурюмова-Герасименко при помощи масс-спектрометра ROSINA на борту зонда «Розетта». Точнее, речь идёт не только и не столько об обнаружении молекулы N₂, сколько об измерении отношения содержаний молекул N₂ и CO. Нетривиальная, между прочим, задача для масс-спектрометра, поскольку массы обеих молекул почти равны. Добавьте к этому довольно заметный фоновый сигнал от молекулярного азота земной атмосферы, который всё ещё сохранился в «Розетте». Тем не менее, измерение удалось провести.

Если предположить (а так оно, вероятно, и было), что в протосолнечной туманности весь азот был в молекуле N₂, а весь углерод — в молекуле CO, то отношение их содержаний должно было бы быть равно 14,5% ± 4,8%. В реальности же оно оказалось существенно меньше, в среднем 0,57% ± 0,066% с вариациями (в зависимости от положения «Розетты» над ядром кометы) от 0,17% до 1,6%.

Недостаток молекулярного азота относительно оксида углерода в сравнении с протосолнечным отношением N₂/CO должен каким-то образом отражать тепловую историю вещества комет. Авторы статьи указывают на эксперименты, в которых анализировался захват молекул CO и N₂ в формирующийся водяной лёд. Особенность водяного льда в том, что он образуется при существенно более высокой температуре, чем сами по себе льды N₂ и CO. При этом он способен захватывать молекулы N₂ и CO, так что они попадают в состав льда при температуре, превышающей их собственную температуру замерзания. Так вот, результаты экспериментов указывают, что при снижении температуры захват молекулярного азота в аморфный водяной лёд происходит с меньшей эффективностью, чем захват оксида углерода. Поэтому нынешнее пониженное содержание N₂ в комете Чурюмова-Герасименко может отражать низкую (порядка 30 К или ниже) температуру её образования. Второй вариант захвата молекул N₂ и CO в кристаллический водяной лёд (клатраты) также предсказывает пониженное относительное содержание N₂ при низкой температуре формирования льда. Конечно, нужно учитывать, что теперешнее содержание N₂ и CO в комете может отражать не только этап формирования, но и последующую эволюцию, в частности, предпочтительное испарение N₂ при прогреве ядра кометы из-за распада радиоактивных элементов или последующих циклов прогрева в ходе её орбитальной эволюции.