Іон H₃⁺ посідає особливе місце в астрохімії: його називають наріжним каменем хімії іонів і молекул у міжзоряному середовищі. Його коливальні переходи давно спостерігають. Їх бачать у поглинанні вздовж багатьох променів зору крізь міжзоряний газ і в емісії у верхніх шарах атмосфер планет-гігантів. А ось чисто обертальний спектр цього іона досі лишався невидимим.
Тепер його вперше зареєстровано. Команда використала інструмент MIRI (прилад середнього інфрачервоного діапазону) на космічному телескопі James Webb. Результат поки що опубліковано як препринт на arXiv.
Чому обертальні лінії H₃⁺ так важко побачити
Більшість молекул мають обертальний спектр, бо їхні полярні зв'язки дають дипольний момент. Для H₃⁺ такі переходи «заборонені». Вони стають можливими лише завдяки відцентровому спотворенню: молекула, що швидко обертається, трохи змінює форму. Через це лінії надзвичайно слабкі. Їх не спостерігали ні в лабораторії, ні в жодному астрономічному джерелі.
Де і що знайшли
Об'єктом став HH 168 у західній частині Цефея A. Це об'єкт Хербіга — Аро: ділянка, де струмінь молодої зорі вдаряється в навколишній газ і нагріває його ударною хвилею. У двох полях спостережень виявили 26 ліній із достовірністю понад 5σ. Найсильніша лінія відповідає переходу (J,K) = (5,0) → (4,3) на довжині хвилі 16,325 мкм.
Лінії H₃⁺ мають таку саму швидкість і просторовий розподіл, як гарячий ударний молекулярний водень H₂. З іонізованим газом вони не збігаються. Отже, випромінює саме молекулярний гарячий газ.
Діаграма обертальних рівнів дає температуру близько 730 K. Проте населеності рівнів не теплові. Автори вважають, що це найкраще пояснює збудження нижче теплової рівноваги в газі гарячішому за 2000 K. Тобто рівні не встигають вирівнятися до теплового розподілу.
Дві моделі ударних хвиль
Спостереження порівняли з моделями ударних хвиль, що поширюються в молекулярному газі під слабким опроміненням. Модель обмежили лініями H₂.
- Дисоціативна ударна хвиля J-типу, де молекули частково руйнуються, передбачає яскравість H₃⁺ у межах ~1,5 раза від виміряної.
- Недисоціативна хвиля C-типу, де молекули зберігаються, краще відтворює лінії H₂. Але яскравість H₃⁺ вона занижує в 5–6 разів.
Наскільки впевнені в результаті
Сам факт детектування надійний: 26 ліній вище 5σ. Інтерпретація менш певна. Збудження H₃⁺ енергійними зіткненнями вивчене погано, тож порівняння з моделями залежить від неповних знань про ці процеси. Тому розбіжність у 5–6 разів для C-типу ще не доводить, що така хвиля в HH 168 неможлива. Крім того, це препринт, який не пройшов рецензування.
Що тут нового
Вперше виявлено обертальний спектр H₃⁺ в астрономічному об'єкті. Те саме спектральне «відбиття» знайшли в архівних даних MIRI для ударної хвилі HH 211. Отже, HH 168 не поодинокий випадок.
Головний наслідок практичний. Лінії H₃⁺ стають новим індикатором іонізації в ударно нагрітому молекулярному газі. Іонізація визначає, як газ взаємодіє з магнітним полем і яким буде тип ударної хвилі. Тепер її можна вимірювати через іон, який посідає центральне місце в хімії цього газу. Щоб це працювало надійно, потрібно краще знати, як енергійні зіткнення збуджують H₃⁺.
