Экспериментальная астрономия: неудача – тоже результат

Если астрофизика — это в первую очередь наблюдательная или теоретическая наука, то в астрохимию постепенно приходит эксперимент. В журнале Nature Astronomy опубликована статья, которая показывает отрицательный экспериментальный результат образования полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в оболочках проэволюционировавших звезд. Астрохимик Дмитрий Вибе, который занимается космической пылью, в состав которых входят ПАУ, рассказал о подробностях работы.

Авторы статьи — Martínez et al. — задались целью воспроизвести в эксперименте формирование молекул полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в оболочках проэволюционировавших звёзд. Молекулы ПАУ представляют собой плоские структуры, выложенные из разного количества шестиугольных бензольных колец, отороченных по краям атомами водорода. Наименьшая из молекул ПАУ состоит из двух колец и представляет собой хорошо известный многим нафталин. В космосе молекулы ПАУ (или какие-то частицы, содержащие их в качестве составного элемента) очень распространены, и основным их источником считаются звёзды-гиганты, находящиеся на поздних эволюционных стадиях (звёзды АВГ — асимптотической ветви гигантов, если говорить точнее). Условия в раздутых оболочках этих звёзд способствуют протеканию высокотемпературной химии с образованием не только сложных молекул, но и состоящих из них более крупных частиц — макромолекул и пылинок.

На протяжении долгого времени считалось, что процесс образования ароматических углеводородов в оболочках звёзд-гигантов подобен процессу их формирования при неполном сгорании углеводородного топлива: сначала образуется ацетилен (C₂H₂), затем три молекулы ацетилена замыкаются в бензольное кольцо (C₆H₆), а затем из колец начинают складываться полициклические структуры. Martínez et al. решили подойти к вопросу тщательнее и исследовать детали формирования макромолекул в оболочках АВГ-звёзд, максимально приблизив условия эксперимента не столько к некачественному дизелю, сколько именно что к оболочке звезды.

Для проведения эксперимента использовалась установка Stardust — многофункциональная машинка для исследования процессов в околозвёздной среде. В условиях ультравысокого вакуума (он нужен, чтобы избавиться от помех со стороны атмосферных газов) сначала производилось испарение атомов углерода (из графита бомбардировкой атомами аргона) до концентрации порядка 2.5•10¹⁰ частиц в кубическом сантиметре, а затем к ним примешивался молекулярный водород. Авторы рассмотрели два случая: в первом молекулярный водород добавлялся примерно в равном количестве с углеродом, во втором его концентрация превышала концентрацию атомов C на два порядка. Идея состояла в том, чтобы в реакциях принимали участие только атомарный углерод и молекулярный водород; никаких посторонних газов, никаких изначально присутствующих углеводородных молекул (как это бывает при горении углеводородного топлива).

И получилось в результате, что эти реакции практически не приводят к формированию ароматических соединений. Анализ продуктов реакций проводился как в газовой фазе, так и на подложке. Продукты, обнаруженные на подложке, варьируются от углеродных наночастиц размером около 9 нм до молекул, содержащих три-пять атомов углерода (на подложке их точный состав установить невозможно). В газовой фазе получившиеся молекулы анализировали при помощи масс-спектрометра. Среди продуктов реакций при обеих концентрациях H2 действительно присутствуют ацетилен, этилен, метан, этан, более крупные молекулы, но ароматических соединений (с кольцевой структурой) оказывается не более 3%.

Это не означает, что ароматические соединения в таких условиях не образуются в принципе (или образуются крайне неэффективно). В эксперименте был обнаружены признаки формирования бензола и нафталина уже на подложке, из собранных на ней углеродсодержащих молекул. Однако, чтобы этот процесс работал в звёздных оболочках, в них сначала должны образоваться твёрдые частицы.

Текст: Дмитрий Вибе

Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes

Lidia Martínez, Gonzalo Santoro, Pablo Merino, Mario Accolla, Koen Lauwaet, Jesús Sobrado, Hassan Sabbah, Ramón J. Pelaez, Victor J. Herrero, Isabel Tanarro, Marcelino Agúndez, Alberto Martín-Jimenez, Roberto Otero, Gary J. Ellis, Christine Joblin, José Cernicharo & José A. Martín-Gago 

Nature Astronomy (2019)