При помощи космического телескопа NASA «Хаббл» учёные смогли подтвердить существование в космосе электрически заряженных молекул, имеющих форму футбольных мячей. Это открытие позволяет приблизиться к разгадке тайны межзвёздной среды — газа и пыли, которые заполняют пространство между звездами.

«Межзвёздная среда является отправной точкой для химических процессов, которые приводят к формированию звёзд и планет. Изучение состава этой среды предоставляет информацию о доступных ингредиентах для создания звёзд и планет», — сказал Мартин Кординер из Католического университета Америки в Вашингтоне. Кординер работает Центр космических полётов имени Годдарда NASA и является главным автором этого исследовании.

Молекулы, идентифицированные Кординером и его командой, представлены формой углерода, известной как «бакминстерфуллерен», состоят из 60 атомов углерода (C60), образующих сферу. C60 был обнаружен на Земле в камнях и минералах в редких случаях и может появляться также в саже при высокой температуре сгорания.

Ранее C60 уже была обнаружена в космосе, однако в этот раз впервые подтверждено наличие ионизированной версии (положительно заряженной) C60 в разреженной межзвёздной среде. C60 ионизируется под воздействием ультрафиолетового излучения от звёзд, что придает ей положительный заряд (C60+).

Исторически считалось, что разреженная межзвёздная среда — слишком суровые условия для образования больших молекул. До обнаружения C60 крупнейшей известной молекулой в космосе была молекула размером всего 12 атомов. Обнаружение C60+ в этой среде показывает, насколько сложной может быть астрохимия, даже в условиях очень низкой плотности и сильного ультрафиолетового излучения.

Жизнь, как мы её знаем, основана на углеродсодержащих молекулах, и это открытие показывает, что сложные углеродные молекулы могут образовываться и сохраняться в суровых условиях межзвёздного пространства.

«В некотором смысле, жизнь можно считать крайней степенью химической сложности. Присутствие C60 демонстрирует высокий уровень химической сложности, присущий космическим средам, и указывает на большую вероятность возникновения других сложных углеродсодержащих молекул в космосе», — сказал Кординер.

Большая часть межзвёздной среды состоит из водорода и гелия, однако в ней также присутствует множество неизвестных соединений. Чтобы изучить состав этой среды, учёные анализируют свет отдаленных звёзд. Когда этот свет проходит через межзвёздную среду, различные элементы и соединения поглощают и блокируют определенные длины волн света. Каждый элемент или соединение имеет уникальный спектр поглощения, позволяющего его идентифицировать. Однако некоторые спектры поглощения в межзвёздной среде имеют особенности, которые не совпадают с известными атомами или молекулами. Эти спектры поглощения называются диффузными полосами межзвёздного поглощения (DIBs). Их идентичность оставалась загадкой с тех пор, как астроном Мэри Ли Хегер опубликовала наблюдения первых двух DIB в 1922 году. Открытие C60+ в межзвёздной среде помогает понять происхождение этих загадочных DIBs.

DIB может быть определён путём точного совпадения с отпечатком вещества в линиях поглощения в спектре. Однако существуют миллионы различных молекулярных структур, которые нужно проверить, для их всех потребуется много жизней.

«Сейчас известно более 400 DIB и за исключением C60+ ни один из них не был однозначно идентифицирован», — сказал Кординер.

Десятилетия лабораторных исследований не привели к точному совпадению ни с одним DIB до работы, связанной с C60+ и недавние исследования при помощи космического телескопа «Хаббл» принесли прорыв в понимании этих загадочных полос поглощения. В этой работе команда смогла сопоставить поглощающий спектр от C60+ в лаборатории с наблюдениями «Хаббла», проверив ориентир, предложенный группой из Университета Базеля в Швейцарии, в лабораторных исследованиях. 

Большая проблема при обнаружении C60+ с помощью наземных телескопов заключается в том, что атмосферный водяной пар блокирует обзор поглощающего спектра C60+. Однако находясь в космосе выше большей части атмосферы, телескоп «Хаббл» имеет чистый обзор. Тем не менее, учёным всё равно пришлось сильно превысить обычные пределы чувствительности телескопа, чтобы иметь возможность обнаружить слабые «отпечатки» C60+. Результаты этого исследования представляют собой важный шаг в определении происхождения DIB и расширяют представление о химической сложности космических сред.

Наблюдаемые звезды, у которых была обнаружена C60+, являются голубыми сверхгигантами, расположенными в плоскости Млечного Пути. Межзвёздный материал Млечного Пути в основном располагается в относительно плоском диске, поэтому линии наблюдения в галактической плоскости проходят через наибольшее количество межзвёздного вещества и проявляют наиболее яркие линии поглощения.

Обнаружение C60+ в разреженной межзвёздной среде подтверждает, что сложные молекулы, основанные на углероде, могут образовываться и сохраняться даже в суровых условиях межзвёздного пространства. Крупные углеродсодержащие молекулы являются вероятными кандидатами для объяснения многих из оставшихся неидентифицированных DIB и будущие лабораторные исследования помогут идентифицировать некоторые из оставшихся DIB.