Niespodziewana molekuła w Mgławicy Krab

Astronomowie zidentyfikowali obszary zjonizowanego argonu w tej mgławicy już dwadzieścia lat temu, jednak aż do teraz nie było wiadomo, jaki jest to izotop tego pierwiastka. Zespół kierowany przez profesora Mike'a Barlowa z UCL Department of Physics & Astronomy wykonał nowe obserwacje w podczerwieni dla słynnej Mgławicy Krab przy pomocy Teleskopu Herschela. Pomiary promieniowania pochodzącego od chłodnego gazu i pyłu doprowadziły do dość zaskakującego odkrycia jonów wodorku argonu. Same badania oraz to, jak mogą one wpłynąć na naszą wiedzę o powstawaniu argonu w naturze, opisuje w tym miesiącu prestiżowe czasopismo Science.

Teleskop Herschela należący do ESA to największe astronomiczne obserwatorium orbitalne. Zainstalowane na nim detektory zostały zaprojektowane z myślą o wykrywaniu emisji w dalekiej podczerwieni, dziedzinie fal elektromagnetyczych niewidocznych dla ludzkiego oka. W projekcie profesora Barlowa wykonano przegląd emisji pyłowych obszarów zlokalizowanych wokół kilku jasnych pozostałości po wybuchach supernowych, w tym właśnie Mgławicy Krab. Odkrycie jonów argonowych było niespodziewane, bowiem argon i inne tzw. gazy szlachetne nieczęsto formują cząsteczki. Trudno też je znaleźć w tak nieprzyjaznym środowisku. Nic dziwnego - pierwiastki te są niemal całkowicie nie podlegają reakcjom chemicznym i bardzo rzadko tworzą trwałe związki chemiczne, ponieważ nie zawierają żadnych niezapełnionych elektronami orbitali, które mogłyby uczestniczyć w tworzeniu wiązań.

Choć gorące obiekty, w tym gwiazdy, świecą najjaśniej w świetle dla nas widzialnym, ciała chłodniejsze (takie jak na przykład obłoki pyłu) emitują energię głównie w podczerwieni. A te długości fal są w większości ekranowane przez ziemską atmosferę. Choć mgławice można mimo to zaobserwować zwykłym teleskopem, ich światło pochodzi zwykle i niemal wyłącznie z obłoków wzbudzonego gazu. Chłodniejsze składowe m.in. pozostałości po wybuchach supernowych są zatem niewidoczne. Teleskop Herschela widzi je jednak doskonale, tym bardziej że obok kamery podczerwonej ma on na pokładzie spektrometr SPIRE. Urządzenie to dzieli światło podczerwone na poszczególne, mniejsze długości fali , podobnie jak pryzmat. Dzięki temu nie tylko wiadomo, jaka jest temperatura jego źrodła, ale i co (jakie pierwiastki lub molekuły) świecą. Gdy mamy na przykład cząsteczkę dwuatomową z wiązaniem między atomami, rotują one wokół wspólnego środka mas. Prędkość tego obrotu związana jest z pewną konkretną częstotliwością fali – odmienną dla różnych atomów. A taką konkretną częstotliwość, będącą funkcją długości fali, możemy zaobserwować przy pomocy teleskopu i właśnie spektrografu. Dodatkowo pierwiastki mogą występować w różnych wersjach, zwanych izotopami. Różnią się one od siebie ilością neutronów w jądrze atomowym. Ich własności są bardzo podobne, różne są jednak ich masy. A to pociąga za sobą różne prędkości rotacji dla dwuatomowych molekuł zbudowanych z różnych izotopów.

Światło w podczerwieni dochodzące do nas z pewnych regionów Mgławicy Krab wykazuje bardzo silnie, nieoczekiwane maksima intensywności w okolicach 618 i 1235 GHz. Według naukowców jedynym wyjaśnieniem tego faktu obserwacyjnego jest założenie, iż promieniowanie to pochodzi od rotujących molekuł – jonów wodorkowe argonu. Wiadomo też, że musi w takim przypadku być za nie odpowiedzialny izotop argon-36.

W tym szczególnym przypadku energia znajdującej się w centrum pozostałości po wybuchu supernowej gwiazdy neutronowej najprawdopodobniej zjonizowała znajdujący się tam wcześniej argon, który następnie reagował z cząsteczkami wodoru, ostatecznie tworząc wykryty w dużych ilościach jon ArH+.

Odkrycie to wyjaśni nam teraz być może, w jaki sposób argon w ogóle tworzy się we Wszechświecie. Według obliczeń teoretycznych w wybuchu supernowej powinno tworzyć się wiele atomów argonu-36 – i bardzo malo, lub wcale, izotopu argonu-40. Dokładnie to zaobserwowali badacze w Mgławicy Krab. Warto dodać, że z kolei na Ziemi zdecydowanie dominuje argon-40 powstały na skutek radioaktywnych rozpadów potasu w skorupie ziemskiej.

Czytaj więcej:

• Cały artykuł: M. J. Barlow et al. "Detection of a Noble Gas Molecular Ion, ³⁶ArH⁺, in the Crab Nebula" Science, 13 December 2013.

Źródło: skyandtelescope.com

Na zdjęciu: Słynna M1 - Mgławica Krab. Połączenie zdjęć w świetle widzialnym i w podczerwieni. Najnowsze badania wykonane przy pomocy Teleskopu Herschela sugerują obecność tu jonów argonowych – pierwszych molekuł gazu szlachetnego, jakie wykryto w przestrzeni kosmicznej. Źródło: Herschel: ESA / SPIRE / PACS / MESS GTKP Supernova Remnant team; Hubble: NASA / Allison Loll (ESA) / Jeff Hester (ASU)

(Tekst ukazał się pierwotnie w Serwisie edukacyjnym PTA Orion, którego zasoby zostały włączone do portalu Urania)