Ученые объяснили редкость межзвездного молекулярного кислорода

Кислород — третий по распространенности элемент во Вселенной, после водорода и гелия, и в 1970-х годах астрономы предсказали, что молекулярный кислород должен быть третьей по распространенности межзвездной молекулой, после молекулярного водорода (H2) и монооксида углерода (CO). По факту астрономы обнаружили межзвездный молекулярный кислород только в двух местах: в туманности Ориона и облаке Ро Змееносца. Но даже там эта молекула встречается реже, чем предсказывает теория. К примеру, молекулы водорода в туманности Ориона превосходят в числе молекулы кислорода больше, чем миллион к одному.

В 1998 году NASA даже запустило спутник, который должен был найти много молекулярного кислорода, но так и не нашел — кроме того случая, когда ученые, обеспокоенные этим, направили его прямо на Землю. Теперь же наземный эксперимент выявил, почему эта дающая жизнь молекула такая редкая в космосе: потому что атомы кислорода крепко цепляются за звездную пыль и не могут соединиться с другими атомами, чтобы образовать молекулы кислорода. Это открытие должно пролить свет на химические условия, которые преобладали на заре появления звезд и планет.

Чтобы объяснить нехватку, недавно астрономы предположили, что атомы кислорода тесно крепятся к частичкам пыли, которые образуют космические облака. «Всем известно, что связующая энергия атомарного кислорода очень важна, — говорит Цзяо Хи, астрофизик Сиракузского университета в Нью-Йорке. — Но экспериментального измерения этого параметра нет».

Хи и его коллеги нашли это значение. Ученые нагревали два типа твердых веществ, составляющих гранулы межзвездной пыли — водяной лед и силикат — чтобы увидеть темпы убегания атомов кислорода. В работе, опубликованной в Astrophysical Journal, ученые указали, что энергия связи кислорода почти в два раза превышает ту, которую рассчитали десятки лет назад: 0,14 электрон-вольт для льда и 0,16 электрон-вольт для силиката. Это достаточно много, чтобы удерживать атомы кислорода в звездной пыли даже при минимальном нагревании межзвездных облаков, которое привело бы к его высвобождению. Туманность Ориона может быть обязана своим небольшим количеством молекулярного кислорода ударной волне, которая выбила атомы из гранул пыли; воздух Земли богат кислородом, благодаря работе деревьев и других растений.

«Это весьма ценное измерение, — говорит Гари Мельник, астрофизик Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже, Массачусетс. — Оно многое объясняет».

Атомы кислорода, которые выплывают из гранул межзвездной пыли, могут объединяться, образуя молекулярный кислород. Но когда они остаются в гранулах, атомы водорода объединяются с кислородом, создавая водяной лед (H2O) вместо этого. Вода затем может стать частью астероидов, комет, планет и так далее, создав благоприятные условия для зарождения жизни.

Пол Голдсмит, астроном из Лаборатории реактивного движения в Пасадене, штат Калифорния, провел больше 25 лет в поисках межзвездного молекулярного кислорода, прежде чем наконец добился успеха. В 2010 году Космическая обсерватория Гершель изучала туманность Ориона и обнаружила неуловимые молекулы.

«Я мог двигаться в неверном направлении, проведя так много лет в их поисках, но, благодаря данным этой лаборатории и Гершелю, мы можем с уверенностью сказать, что понимаем, с чем имеем дело».