Астрохимия и астробиология

Куда девались атомы кислорода

Дмитрий Вибе

2015-08-29 15:29:08

В балансе атомов нашей Вселенной не все концы сходятся с концами. Причём, этот дисбаланс особенно заметен в атомах кислорода и углерода, наиболее распространённых после водорода и гелия. В работе Shu Wang et al. предпринята попытка решить эту проблему для кислорода.

У нас есть два способа определить содержание атомов во Вселенной из наблюдений. Первый способ заключается в определении содержания различных химических элементов в звёздах по звёздным линиям поглощения. Второй способ состоит в измерении содержания атомов в межзвёздной среде по наблюдениям межзвёздных линий поглощения. Межзвёздные линии наблюдаются в спектрах звёзд или других источников, скажем, квазаров, но формируются не в самих объектах, а в среде, заполняющей пространство между источником и наблюдателем.

В идеальном мире элементный состав звёзд главной последовательности должен примерно совпадать с элементным составом межзвёздной среды, поскольку звёзды формируются из межзвёздного вещества. Однако наблюдения межзвёздных линий поглощения показывают, что в межзвёздном газе (а линии рождаются именно в нём) почти для всех элементов наблюдается дефицит по сравнению с химическим составом Солнца. Поскольку дефицит этот тем сильнее, чем выше температура конденсации элемента, логично предположить, что атомы, которых недостаёт в газе, скрываются в твёрдом веществе, то есть в космических пылинках.

Предсказать содержание атомов в звёздах и межзвёздном газе теоретически мы не можем, но можем оценить их содержание в пыли. Конкретно, изучая поглощение пылью излучения фоновых звёзд, а также собственное излучение пылинок, мы можем примерно оценить химический состав и количество пылинок, посчитав тем самым количество атомов, которые должны содержаться в этих пылинках.

Вот тут и возникает дисбаланс. Например, содержание углерода относительно водорода (C/H) на Солнце составляет примерно 2.7 · 10-4. В межзвёздном газе его, по разным оценкам, от 10-4 до 1.4 · 10-4. Соответственно, на пыль остаётся 1.3-1.7 · 10-4, что меньше количества углерода, которое предсказывается моделями космической пыли (> 2 · 10-4).

С кислородом ситуация обратная. Его наблюдаемый дефицит в межзвёздном газе существенно больше, чем могут объяснить существующие модели космической пыли, в которых кислород присутствует, главным образом, в виде силикатных частиц. Разница между наблюдаемым (газ+пыль) и ожидаемым содержанием кислорода составляет примерно 1.6 · 10-4, то есть треть от его содержания на Солнце (содержание кислорода на Солнце вызывает много споров, но это совсем другая история).

Хорошим кандидатом на роль скрытого резервуара кислорода могли бы стать пылинки из водяного льда, но если бы они имели размер, сопоставимый с размером других космических пылинок (порядка 0.1 мкм), то их наличие в межзвёздной среде приводило бы к появлению в спектрах фоновых звёзд межзвёздной полосы поглощения на длине волны 3.1 мкм.

Shu Wang et al. решили проверить, нельзя ли решить проблему избытка кислорода, предположив, что он скрывается в крупных (с размером порядка микрона) ледяных пылинках, в которых колебания связей O-H, приводящие к поглощению на 3.1 мкм, существенно подавлены. Авторам удалось показать, что добавление микронных водяных пылинок в модель пылевого ансамбля никак не сказывается на поглощении в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, где за поглощение ответственны субмикронные силикатные и углистые пылинки. Иными словами, в данных о межзвёздном поглощении света признаков этих пылинок нет и быть не может. Далее, авторы утверждают, что нельзя заметить эти пылинки и в излучении. Будучи по природе светлыми, они очень плохо поглощают излучение звёзд и имеют температуру существенно ниже, чем силикатные и тем более почти чёрные углистые пылинки. Это означает, что и собственное тепловое излучение этих пылинок будет очень слабым.

Резюмируя, можно сказать, что никаких проблем в том, чтобы «спрятать» лишний кислород в крупных ледяных пылинках, нет. Ни в поглощении, ни в излучении увидеть их нельзя. Остаётся только один вопрос: откуда бы в межзвёздной среде могли взяться такие пылинки? Дело в том, что водяной лёд — материал довольно хрупкий, а в межзвёздной среде действуют факторы, способные разрушить и более прочные пылинки. Авторы предполагают, что крупные ледяные частицы могут формироваться или сохраняться в плотных холодных молекулярных облаках. Затем при рассеивании молекулярных облаков ледяные пылинки попадают в «обычную» межзвёздную среду, потом из неё — снова в облака… Если круговорот пылинок в межзвёздной среде происходит быстрее, чем их разрушение ударными волнами, излучением и пр., в среде будет постоянно поддерживаться некоторое их количество. Возможно, именно такое, какое нужно для объяснения скрытого кислорода.

Ответить

Вы должны войти, чтобы оставить комментарий.