8 Minutės
Kaip kosminė „Netyčia“ atskleidė paslėptą silicio chemiją
Viena blanki, labai sena rudasis nykštukas, pramintas „Netyčia“, pateikė pirmą aiškų silano (SiH4) aptikimą atmosferoje už Žemės ribų — molekulę su siliciu, kurios ilgą laiką prognozavo cheminės pusiausvyros modeliai, bet kurios praktiškai nebuvo užfiksuota stebėjimuose, pavyzdžiui, dujų milžinuose Jupiteriuje ir Saturne. Atradimas remiasi jautria infraraudonųjų spindulių spektroskopija iš NASA Jameso Webbo kosminio teleskopo (JWST) ir apšviečia, kaip silicis elgiasi vėsesnėse, vandenilio turtingose atmosferose. Tai ne tik įdomus vienkartinis rezultatas: jis grąžina fizikos ir cheminės pusiausvyros modelių spragas atgal į diskusijas apie planetų ir nykštukų atmosferų sudėtį.
Šis menininko vizualizacijos vaizdinys iliustruoja rudąjį nykštuką — kūną, didesnį už planetą, bet nepakankamai masyvų, kad joje prasidėtų branduolinė sintezė, dėl kurios žvaigždės šviečia. Rudi nykštukai yra karšti formuodamiesi ir gali spindėti panašiai kaip šio paveikslo objektas, tačiau, senstant, jų temperatūra krinta ir jie vis labiau primena dujų milžinus, tokius kaip Jupiteris, savo atmosferos struktūra. Šio tipo objektai yra unikalūs laboratoriniai modeliai, nes jie savo atmosferose gali išlaikyti paviršiaus ir vidinius procesus, kurie pateikia užuominas apie tiek žvaigždžių, tiek planetų evoliuciją.
Atranka ir tyrimas: pilietinė mokslinė iniciatyva, NEOWISE ir JWST spektroskopija
„Netyčia“ pirmą kartą buvo pastebėta 2020 m. vieno savanorio Backyard Worlds: Planet 9 pilietinės mokslo iniciatyvos duomenų apžvalgoje, panaudojus archyvinę NEOWISE infraraudonųjų spindulių apžvalgą. Tai pabrėžia, kaip plataus masto duomenų rinkiniai kartu su visuomenės įsitraukimu gali atrasti retus ar neįprastus objektus. Objektas yra rudasis nykštukas: per mažas, kad galėtų išlaikyti žvaigždinę sintezę, bet pakankamai masyvus ir karštas savo formavimosi metu, kad jo atmosfera būtų panaši į dujų milžinų struktūrą. Jis yra maždaug už 50 šviesmečių ir, remiantis jo spektrinėmis ir ryškumo charakteristikomis, greičiausiai yra 10–12 milijardų metų amžiaus, todėl jis priklauso visatos senesnei populiacijai. Tai paaiškina, kodėl jo spektras derina bruožus, paprastai priskiriamus tiek jauniems, tiek seniems rudiesiems nykštukams — jo chemija ir temperatūra rodo mišrius požymius.
Dėl objekto blankumo ir neįprastos cheminės sudėties buvo reikalinga JWST jautri infraraudonųjų spindulių spektrometrija, kad būtų galima išskirti atskirų dujų absorbcinius bruožus. Tyrėjai pranešė apie silano identifikavimą straipsnyje, paskelbtame žurnale Nature 2025 m. rugsėjo 4 d. Silanas — paprasta silicio ir vandenilio molekulė (SiH4) — buvo numatytas termodinaminės pusiausvyros cheminiuose modeliuose, kad egzistuotų vėsesnėse, vandenilio dominuojančiose atmosferose, tačiau iki šiol trūko tiesioginių patvirtinimų. JWST spektrų jautrumas ir stabilumas, ypač infraraudonojoje dalyje, leido užfiksuoti silano absorbcinius bruožus, kurie anksčiau būdavo paslėpti tarp kitų dujų ir kondensatų signalų.
Šiame grafike parodyta, kad rudieji nykštukai gali būti žymiai masyvesni už didžiausias dujų planetas, tokias kaip Jupiteris ir Saturnas. Vis dėlto juose paprastai trūksta masės, reikalingos branduolinei sintezei jų branduolyje, todėl jie nespindi kaip žvaigždės. Ši savybė kartu su santykinai paprastu apšvietimu — dažnai be švytinčio žvaigždės kompaniono — daro juos palankesniais objektais detaliems atmosferų cheminės sudėties tyrimams. Be to, skirtingos temperatūros ir slėgio sąlygos šiuose nykštukuose leidžia patikrinti, kaip cheminės reakcijos ir kondensacija veikia įvairiose planetų ir nykštukų klasėse.
Kodėl silanas retai pastebimas dujų milžinuose
Silicis Visatoje yra palyginti gausus elementas, tačiau planetų atmosferose jis lengvai susijungia su deguonimi ir sudaro silikatines mineralines fazes bei oksidus (pavyzdžiui, kvarcą), kurie vėliau susidaro į debesų daleles arba kondensatus. Karštesniuose dujų milžinuose silikatų debesys kondensuojasi aukštesniuose atmosferos sluoksniuose; vėsesniuose pasauliuose, tokiuose kaip Jupiteris ir Saturnas, šie kondensatai, pagal modelius, grimzta žemyn po vandens ir amoniako debesų sluoksniais, todėl silicio cheminė veikla lieka paslėpta nuo nuotolinių stebėjimų. Kitaip tariant, silicis dažnai yra „užrakintas“ kietose arba skystose mineralinėse formose, kurios neparodo stiprių dujinės fazės spektrinių požymių.
Modeliai taip pat prognozuoja, kad esant mažam deguonies kiekiui santykinai prieinamame elementų rinkinyje, daugiau silicio lieka laisvo ir gali susijungti su vandeniliu, sudarydamas lengvesnes hidruotas dujas, tokią kaip silanas. Tyrimų komanda siūlo, kad „Netyčia“ formavosi ankstyvoje kosminės istorijos fazėje, kai tarpžvaigždinė terpė galėjo turėti mažesnį deguonies kiekį palyginti su vėliau susiformavusiais objektais. Esant mažiau deguonies, silicis mažiau įtraukiamas į oksidus ir silikatus, o tai padidina cheminę galimybę susidaryti SiH4, kurį galima nustatyti spektroskopiškai. Be to, metalinių elementų santykiai ir bendras cheminis „ląstelinis“ turinys (metališkumas) lemia, kokios molekulės vyraus dujinėje fazėje, ir šis rudasis nykštukas gali turėti netipinius elementų santykius, palankius silano koncentracijoms.
Pasekmės planetų bei egzoplanetų chemijai ir modeliams
Silano aptikimas šiame senajame rudajame nykštuke patvirtina, kad silicis gali egzistuoti kaip vandenilintas dujinės fazės junginys tinkamose elementų abundancijose ir temperatūrose. Tai padeda paaiškinti, kodėl silano trūko spektruose tokių objektų kaip Jupiteris, Saturnas, kitų rudųjų nykštukų bei daugelio egzoplanetų: deguonies chemija dažnai dominuoja, pririšdama silicį į kondensatus ir slėpdama jį gilesniuose atmosferos sluoksniuose, neduodančiuose matomų spektrinių pėdsakų. Šis atradimas taip pat suteikia papildomą kontekstą modeliuotojams, aiškinantiems, kuriomis sąlygomis turėtų atsirasti silanas, ir ką jo buvimas arba nebuvimas reiškia dėl objekto formavimosi ir evoliucijos istorijos.
Tikslinimai modeliuose gali apimti didesnį dėmesį pradiniams elementų santykiams (ypač deguonies ir anglies santykiams), kinetiniams efektams, kurie gali lėtinti arba spartinti molekulių susidarymą, ir vertikalių maišymų procesams, dėl kurių kondensatai gali būti pakeliami į matomus sluoksnius arba nuleidžiami žemyn. Taip pat svarbu įtraukti fotochemiją ir ultravioletinių spindulių poveikį, kai objektai yra arti aktyvių žvaigždžių, nes fotolitiniai procesai gali tiek naikinti, tiek kurti hidruotas molekules. JWST duomenys, susiejami su žemesnėse bangose dirbančiais observatorijų matavimais ir termodinaminiais modeliais, leidžia sudaryti išsamų vaizdą apie tai, kada ir kodėl silanas gali būti matomas įvairiose atmosferose.
Be to, šis atradimas turi reikšmę interpretacijai spektrų nuo būsimų eksoplanetų misijų. Jei silanas gali būti matomas tam tikrame elementų santykyje ir temperatūroje, jo aptikimas galėtų tapti diagnostiniu požymiu, padedančiu nustatyti objekto cheminę kilmę, amžių arba aplinkos metališkumą. Tai ypač svarbu analizuojant sub-Neptūnų ar vėsesnių egzoplanetų atmosferas, kur cheminės pusiausvyros pokyčiai ir kondensavimasis gali žymiai paveikti matomus spektrus.
Tyrėjų komentarai ir metodikos svarba
„Kartais tai būtent ekstremalūs objektai, kurie padeda suprasti, kas vyksta įprastesniuose,“ sakė pagrindinė tyrimo vadovė Faherty iš Amerikos gamtos istorijos muziejaus. P. Eisenhardt iš JPL, WISE projekto mokslininkas, pridūrė: „Mes neieškojome atsakymo į mįslę apie Jupiterį ir Saturną su šiomis stebėtinėmis priemonėmis... norėjome suprasti, kodėl šis rudasis nykštukas toks keistas, bet nenustebome, jog suradome silaną. Visata mus vis dar stebina.“ Tokios žinutės parodo mokslinio proceso netikėtumą ir kaip atradimai gali kilti ne iš tiesioginio tikslo, o iš kruopštaus duomenų nagrinėjimo ir tinkamų priemonių derinio.
Atrankos ir charakterizavimo procesas pabrėžia plataus lauko infraraudonųjų spindulių apžvalgų, pilietinės mokslinės bendruomenės ir JWST giluminės spektroskopijos svarbą. Rudieji nykštukai, dažnai neturintys ryškių žvaigždžių kompanionų, sudaro „švaresnes“ laboratorijas atmosferinei chemijai: jų spektrai mažiau sumaišyti šviesos srautų ir atskleidžia molekulinius bruožus aiškiau nei daugelis egzoplanetų, kurių stebėtinumas dažnai trukdo šviesos iš aktyvių žvaigždžių arba kompleksinis debesuotumas. Ištyrus tokias „švarias“ sistemas, galima geriau calibrate (kalibruoti) planetų atmosferoms naudojamus modelius, kurie vėliau taikomi atmosferoms, galbūt turinčioms sąlygas gyvybei arba turtingoms mišrioms cheminėms sąlygoms.
Išvados
Silano radimas „Netyčia“ yra tikslingas patvirtinimas, kad elementų abundancijos (ypač deguonies kiekis) ir temperatūros struktūra lemia silicio cheminę elgseną didelių planetų ir rudųjų nykštukų atmosferose. Kaip JWST ir būsimų misijų duomenys išplečia charakterizuotų atmosferų imtį, pastebimųjų vaizdas apie silicį, silikatus ir lakiųjų medžiagų cheminę dinamiką taps vis išsamesnis — tai pagerins mūsų supratimą tiek apie Saulės sistemos planetas, tiek apie vis didėjantį egzoplanetų sąrašą. Tolimesni stebėjimai ir modeliavimas leis sugriauti likusius neapibrėžtumus apie tai, kokiomis sąlygomis silanas gali būti naudojamas kaip diagnozinis instrumentas planetų formavimuisi ir evoliucijai atsekti.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą