Одна з найважливіших молекул у Всесвіті довгий час залишалася непоміченою. Це основа для майже всієї газової хімії в міжзоряному просторі, включаючи формування складних органічних молекул, які є складовими для життя.

Цю молекулу називають трігідроген-катіоном (H₃⁺), і її часто називають "молекулою, яка створила Всесвіт".

Її виявляли в міжзоряних хмарах, і вона частково відповідальна за авроральне сяйво Юпітера, але особливий вид світла, яке вона повинна випромінювати під час обертання, передбачався ще з 1986 року, але жодна спроба його виявити, навіть у лабораторних умовах, не була успішною.

Тепер, використовуючи JWST, команда астрономів на чолі з Девідом Нойфельдом з Університету Джонса Хопкінса нарешті виявила це elusive світло, що сяє з газу, розташованого тисячі світлових років від нас.

Це відкриття може допомогти зрозуміти фізику величезних ударних хвиль, які генеруються новонародженими зірками, а також те, що відбувається з цією критично важливою молекулою під час всього цього вогню та люті.

Щоб зрозуміти, чому це відкриття таке неймовірне, потрібно поглянути на незвичайну форму молекули трігідрогену. Вона складається з трьох ядер водню, які ділять між собою лише два електрони. Форма, яку вони формують, є рівностороннім трикутником, що означає, що молекула не має постійного дипольного моменту і не має дозволеного чистого обертального спектру.

Це означає, що, коли молекула обертається, її електричний заряд залишається рівномірно розподіленим, без зміщення, яке могло б генерувати електромагнітне випромінювання, яке молекули зазвичай випромінюють під час обертання.

Проте в 1986 році астрофізики Фу-Ших Пан і Такеші Ока з Університету Чикаго розрахували, що трігідроген повинен мати можливість випромінювати дуже слабку кількість світла під час обертання.

Ось у чому хитрість. Коли молекула обертається, центробіжні сили деформують її ідеально симетричну форму, що створює маленький електричний дипольний момент, що дозволяє їй все ж випромінювати радіацію.

Отримані переходи настільки надзвичайно слабкі, що їх вважають "забороненими" – не тому, що вони порушують закони фізики, а тому, що вони заборонені звичайними правилами, що регулюють молекулярну радіацію.

Протягом чотирьох десятиліть це передбачення залишалося непідтвердженим. Сигнал був просто занадто слабким для виявлення, навіть у лабораторних експериментах.

Але те, що стаття Пана і Оки не передбачала, це вбивча комбінація JWST і новонародженої зірки, яка влаштувала космічний бунт.

Об'єкти Гербіг-Гаро є одними з найвражаючих явищ у галактиці, що виникають внаслідок насильницьких вибухів молодих зірок.

Коли зірка формується, вона живиться матеріалом, що обертається навколо неї. Але не весь цей матеріал потрапляє в зірку. Потужні магнітні поля допомагають викидати частину з нього назад у космос у щільно сфокусованих струменях, що рухаються зі швидкістю сотні кілометрів на секунду.

Коли ці струмені вдаряють у навколишню молекулярну хмару, вони генерують величезні ударні хвилі, нагріваючи газ до тисяч градусів і змушуючи його світитися.

Це досить короткочасна, але важлива фаза життя зірки, і астрономи прагнуть дізнатися про неї більше. Однак, оскільки це часто відбувається всередині густого туманності, з якої народжується зірка, його важко побачити.

Це робить об'єкти Гербіг-Гаро особливо цікавими цілями для JWST. Інфрачервоне світло, на яке налаштований телескоп, проникає через заважаючий пил ефективніше, ніж видиме світло, дозволяючи йому заглянути в ці бурхливі зоряні ясла.

Але коли Нойфельд і його колеги почали вивчати спостереження JWST об'єкта, названого Гербіг-Гаро 168, або HH 168, щось було трохи дивним.

Серед інфрачервоних випромінювань гарячого, шокованого газу були серії надзвичайно слабких спектральних ліній.

І їхні довжини хвиль відповідали забороненим обертальним переходам трігідроген-катіону, розрахованим Паном і Окою 40 років тому.

Не лише одна лінія. Команда виявила 26 різних ліній, усі виявлені з високою статистичною впевненістю. Найсильніша з цих ліній зареєструвала вражаючі 72 сигми – що залишає практично жодних сумнівів щодо виявлення.

Вперше астрономи зафіксували молекулу, що випромінює світло, яке ніколи не спостерігалося ніде у Всесвіті – і не просто невелику кількість. У порівнянні з тим, що їхні моделі пізніше передбачили, це було позитивно яскравим.

Але наявність сигналу була лише частиною історії. Не менш цікаво було те, де він з'явився серед бурхливого газу, шокованого струменями молодої зірки.

Він тісно слідував за випромінюванням звичайного молекулярного водню (H₂), що свідчить про те, що обидві молекули реагували на ті ж самі насильницькі умови.

Але пояснити, як саме ці умови виробили таке яскраве випромінювання трігідрогену, виявилося трохи складніше. Коли дослідники намагалися відтворити спостереження, використовуючи моделі ударних хвиль, жоден підхід не спрацював ідеально.

Одна модель добре відтворила випромінювання звичайного молекулярного водню, але недооцінила сигнал трігідрогену в п'ять або шість разів.

Інша наблизилася до відповідності з випромінюванням трігідрогену, але спиралася на умови, які виходили за межі діапазону, для якого модель була перевірена.

Отже, потрібно ще багато роботи, щоб зрозуміти, чому випромінювання було таким яскравим. Але є ще одна частина головоломки, яка свідчить про те, що, що б не відбувалося, Всесвіт може зробити це з відносною легкістю.

Коли команда вивчила архівні спостереження JWST іншого об'єкта Гербіг-Гаро, HH 211, вони також виявили там те ж саме характерне випромінювання.

Це насправді дуже чудово. Пан і Ока були праві весь цей час – те, що бракувало, це інструмент, чутливий достатньо, щоб підтвердити це.

І тепер трігідроген сам може стати інструментом – інструментом, який вчені можуть використовувати, щоб краще зрозуміти хімію, яка перетворює найпростіший елемент у Всесвіті на захоплюючу складність космосу.

Дослідження, яке було прийнято до публікації в The Astrophysical Journal Letters, доступне на сервері попередніх публікацій arXiv.