Что прячется в закрытом центре галактики? Джеймс Уэбб обнаружил целую фабрику молекул-предшественников жизни

Астрономы заглянули в «запечатанное» ядро далекой галактики и нашли там неожиданно богатый набор простых органических молекул. Речь идет о соединениях на основе углерода, которые считают базовыми кирпичиками для более сложной органической химии. Наблюдения выполнили с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Анализ провела международная группа под руководством Центра астробиологии CAB, совместного института CSIC и INTA, с применением моделей, разработанных в Оксфорде.

Объект исследования – галактика IRAS 07251–0248. Она относится к классу ультраярких инфракрасных галактик. Их особенность в том, что центральная область скрыта за плотными слоями газа и пыли. Внутри обычно находится сверхмассивная черная дыра и активная зона вокруг нее, но большая часть излучения поглощается окружающим веществом. В обычные телескопы такие области почти не видны.

Ситуацию меняет инфракрасный диапазон. Излучение с такими длинами волн лучше проходит сквозь пылевые облака. Поэтому инфракрасные приборы позволяют изучать процессы в закрытых ядрах, куда оптика не дотягивается. В этом случае данные показали, какие химические реакции преобладают в экстремально запыленной центральной зоне.

Команда использовала спектроскопию – метод, при котором свет раскладывают по длинам волн и по линиям в спектре определяют состав вещества. Джеймс Уэбб дал данные в диапазоне от 3 до 28 микрон. Были задействованы 2 прибора, NIRSpec и MIRI. Первый работает в ближнем инфракрасном диапазоне, второй – в среднем. Такой набор позволяет видеть сигнатуры молекул в газе, а также признаки льдов и пылевых частиц в твердой фазе. По спектрам ученые оценили содержание разных веществ и их температуры в скрытом ядре галактики.

В результате обнаружен необычно богатый набор малых органических молекул. Среди них бензол, метан, ацетилен, диацетилен и триацетилен. Отдельно отмечено первое обнаружение за пределами Млечного Пути метильного радикала CH₃. Радикалом называют очень реакционноспособную частицу с неспаренным электроном. Кроме газовых молекул зафиксировано большое количество твердых углеродсодержащих зерен и водяных льдов.

Авторы отмечают, что химическая сложность оказалась выше, чем предсказывают существующие модели. Наблюдаемые концентрации соединений тоже превышают расчетные значения. Это указывает на постоянный источник углерода в таких ядрах, который подпитывает химическую сеть реакций. Подобные молекулы сами по себе не являются признаком жизни, но считаются важными промежуточными звеньями на пути к более сложным органическим структурам, включая аминокислоты и нуклеотиды.

Для интерпретации данных использовались теоретические модели полициклических ароматических углеводородов, сокращенно PAH, созданные оксфордской группой. Полициклические ароматические углеводороды – это крупные плоские молекулы из нескольких углеродных колец. Они широко распространены в космосе и входят в состав углеродистой пыли. Расчеты показали, что одной только высокой температуры или турбулентных движений газа недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемую картину.

Наиболее вероятным механизмом ученые считают воздействие космических лучей. Так называют потоки высокоэнергичных частиц, которые пронизывают межзвездную среду. В плотных и активных ядрах их особенно много. Такие частицы могут как бы разбивать крупные углеродные молекулы и пылевые зерна, образуя более мелкие органические соединения и переводя их в газовую фазу.

Исследователи также обнаружили связь между количеством углеводородов и уровнем ионизации космическими лучами в похожих галактиках. Ионизация означает, что частицы выбивают электроны из атомов и молекул, делая среду химически более активной. Наблюдаемая корреляция поддерживает сценарий, в котором именно космические лучи запускают переработку углеродного материала.

Получается, что глубоко скрытые галактические ядра могут работать как природные фабрики органических молекул и заметно влиять на химическую эволюцию галактик. Авторы отмечают, что новые данные открывают дополнительные возможности для изучения органической химии в экстремальных космических условиях и хорошо показывают, насколько мощным инструментом стал знаменитый телескоп для исследования ранее недоступных областей Вселенной.