Jakie znaczenie dla procesu formowania się nowych gwiazd i całych układów planetarnych ma kosmiczne promieniowanie ultrafioletowe? Temat podejmują polskie astronomki, dr Agata Karska (UMK, Toruń) i jej doktorantka Agnieszka Mirocha (UJ, Kraków) wraz z zespołem. Wyniki ich pracy mogą powiedzieć więcej o naszym kosmicznym pochodzeniu.
Dr Agata Karska z Instytutu Astronomii na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK i mgr. Agnieszka Mirocha z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie badają promieniowanie UV występujące wokół młodych, dopiero formujących się gwiazd – protogwiazd. Te wczesne gwiazdy są zazwyczaj spowite obłokami pyłowo-gazowymi, nieprzepuszczalnymi dla światła widzialnego. Sprawia to, że bezpośrednie obserwacje tych obiektów kosmicznych nie należą do łatwych.
– Konieczne są obserwacje w dłuższych falach elektromagnetycznych, najlepiej w dalekiej podczerwieni, gdzie znajduje się maksimum jasności pyłu, oraz w zakresie submilimetrowym, zawierającym kluczowe przejścia molekularne, które można wykorzystać do pomiaru temperatury i gęstości gazu w bezpośrednim otoczeniu protogwiazdy – wyjaśnia dr Agata Karska. – Światło widzialne czy ultrafiolet są całkowicie pochłaniane przez ziarenka pyłu. Natomiast dzięki obserwacjom linii rotacyjnych interesujących nas molekuł na falach submilimetrowych potrafimy określić warunki fizyczne gazu oraz ilość różnych molekuł w bezpośrednim otoczeniu protogwiazdy. Na tej podstawie wnioskujemy o procesach fizycznych i chemicznych prowadzących do powstawania gwiazd i planet.
Na podstawie analizy występowania molekuł wody wokół protogwiazd udało się już wcześniej potwierdzić występowanie promieniowania UV w obszarach formowania gwiazd małomasywnych. Jednak takie obserwacje wykonane przy użyciu teleskopu Herschela nie mogły być kontynuowane po zakończeniu jego misji w 2014 roku. Zdecydowano się zatem na wykorzystanie molekuł HCN i CN, które mogą być z kolei obserwowane z powierzchni Ziemi. Ich rozkład stanowi wskaźnik występowania promieniowanie UV i jego natężenia w danym miejscu. Obserwacje tych molekuł wykonano przy użyciu teleskopu IRAM w Hiszpanii.
Na zdjęciu: Radioteleskop IRAM. Źródło: www.iram-institute.org
– W gazie, który znajduje się w obłoku otaczającym protogwiazdę, znajduje się wiele molekuł mających różne właściwości. Ich ilość występująca w gazie zależy od efektywności reakcji chemicznych prowadzących do ich tworzenia i niszczenia, zależnych od warunków fizycznych, ale także dodatkowych procesów, jak oświetlanie przez promieniowanie UV – wyjaśnia mgr Agnieszka Mirocha.
Jeszcze do niedawna nie było jasne, czy protogwiazdy są źródłem promieniowania UV. Dziś wiemy, że choć same go nie produkują, to opadająca z dysku na gwiazdę materia nie tylko zmienia strukturę fali uderzeniowej, prowadząc do zwiększonej kompresji gazu, ale również tworzy bardzo gorący, świecący obszar. Ponieważ jednak obłok protoplanetarny również rotuje, część tej opadającej materii jest ponownie wyrzucana w przestrzeń kosmiczną. Mówimy wtedy o wypływach molekularnych. Zderzenie wyrzucanej materii z otoczką pyłowo-gazową protogwiazdy generuje z kolei fale uderzeniowe, w których dochodzi do skokowego wzrostu temperatury i gęstości. To właśnie tam i wtedy mogą powstawać fotony światła ultrafioletowego.
Zdaniem zespołu to właśnie wypływy molekularne są źródłem promieniowania UV zaobserwowanego w obłoku gwiazdotwórczym w konstelacji Węża. W pracy pokazano, że molekuły HCN i CN są dobrymi miernikami promieniowania UV, a w badanym obszarze gwiazdotwórczym dominującą reakcją niszczenia molekuł HCN jest ich reakcja z fotonami UV. Jednocześnie molekuły CN są bardziej odporne na fotodysocjację. Oznacza to, że ten sam foton, który niszczy HCN, zwykle nie niszczy CN – w przypadku tej drugiej molekuły potrzebne jest jeszcze bardziej energetyczne promieniowanie UV.
Wnioski płynące z obserwacji były zaskakujące. – Stężenia stabilnego związku, jakim jest cyjanowodór, okazały się zdecydowanie niższe niż reaktywnego rodnika, jakim jest CN. W warunkach fizycznych typowych dla obserwowanych obiektów, taki wynik najłatwiej tłumaczyć istnieniem znaczącej ilości fotonów UV – podkreśla kolejny współautor publikacji, dr Marcin Gronowski z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
– W naszej pracy udało się pokazać, że molekuły HCN i CN są dobrymi miernikami promieniowania UV – mówi dr Karska. – Wykazaliśmy, że w obszarze, który nas interesuje, dominującą reakcję niszczenia HCN jest reakcja tej molekuły z fotonem UV. Jednocześnie CN jest bardziej odporny na fotodysocjację. Oznacza to, że ten sam foton, który niszczy HCN, nie niszczy CN – w przypadku tej drugiej molekuły potrzebne jest bowiem bardziej energetyczne promieniowanie UV.
– Prowadząc badania, doskonale zdawaliśmy sobie sprawę, że chemia ośrodka międzygwiazdowego bywa zaskakująca – dodaje dr Gronowski. – Wiemy o istnieniu około 200 cząsteczek w tego typu obiektach, choć jest ich tam zapewne o wiele więcej. Wszystkie mogą wchodzić ze sobą w reakcje prowadzące do rozmaitych produktów. Tworzy to skomplikowaną sieć zależności pomiędzy stężeniami molekuł. Poziom skomplikowania chemii w tego typu obiektach jest tak duży, że wyłuskanie informacji, które procesy chemiczne kształtują stężenia CN i HCN, wcale nie było łatwe.
– Niesamowite jest to, jak interdyscyplinarne są badania nad formowaniem się gwiazd. Jeśli chcemy dowiedzieć się czegoś o naszej kosmicznej przeszłości, musimy skorzystać w równej mierze z wiedzy astrofizycznej, jak i tej z zakresu kinetyki chemicznej, spektroskopii, fotochemii, fizyki molekularnej, chemii kwantowej – podkreślają zgodnie dr Karska i dr Gronowski.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł: Signatures of UV radiation in low-mass protostars I. Origin of HCN and CN emission in the Serpens Main region, Astronomy &Astrophysics 2021
- Oryginalna informacja prasowa (UMK)
Źródło: UMK
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na ilustracji: Obszar formowania się gwiazd w obłoku molekularnym w gwiazdozbiorze Węża widziany okiem kosmicznego teleskopu Spitzera oraz reakcje chemiczne zachodzące pod wpływem promieniowania ultrafioletowego w otoczeniu protogwiazd. Źródło: NASA/JPL-Caltech/L. Cieza (University of Texas at Austin).
