Головы комет могут быть зелеными, но не хвосты. Спустя 90 лет мы наконец знаем, почему

Команда разгадала эту загадку с помощью вакуумной камеры, множества лазеров и одной мощной космической реакции.

Время от времени пояс Койпера и облако Оорта выбрасывают в нашу сторону галактические снежки, состоящие из льда, пыли и камней: остатки формирования Солнечной системы возрастом 4,6 миллиарда лет.

Эти снежки – или, как мы их знаем, кометы – претерпевают красочные метаморфозы, пересекая небо, при этом головы многих комет приобретают сияющий зеленый цвет, который становится ярче по мере приближения к Солнцу.

Но как ни странно, этот зеленый оттенок исчезает, не дойдя до одного или двух хвостов, тянущихся за кометой.

Астрономы, ученые и химики были озадачены этой загадкой уже почти столетие. В 1930-х годах физик Герхард Герцберг предположил, что это явление произошло из-за того, что солнечный свет разрушает двухатомный углерод (также известный как диуглерод или C 2 ), химическое вещество, созданное в результате взаимодействия солнечного света и органического вещества на голове кометы – но поскольку диуглерод не стабилен , эту теорию было трудно проверить.

Новое исследование, проведенное UNSW в Сиднее, опубликованное сегодня в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) , наконец-то нашло способ протестировать эту химическую реакцию в лаборатории – и тем самым доказало эту теорию 90-летней давности. правильный.

«Мы доказали механизм, с помощью которого диуглерод расщепляется под действием солнечного света», — говорит Тимоти Шмидт , профессор химии в UNSW Science и старший автор исследования.

«Это объясняет, почему зеленая кома – нечеткий слой газа и пыли, окружающий ядро ​​– сжимается по мере приближения кометы к Солнцу, а также почему хвост кометы не зеленый».

 

Ключевой игрок в центре загадки, диуглерод, обладает высокой реакционной способностью и ответственен за придание многим кометам зеленого цвета. Он состоит из двух атомов углерода, слипшихся вместе, и его можно найти только в средах с чрезвычайно высокой энергией или низким содержанием кислорода, таких как звезды, кометы и межзвездная среда.

Диуглерода не существует на кометах, пока они не приблизится к Солнцу. Когда Солнце начинает нагревать комету, органическое вещество, живущее в ледяном ядре, испаряется и переходит в кому. Затем солнечный свет расщепляет эти более крупные органические молекулы, образуя диуглерод.

Команда под руководством UNSW теперь показала, что по мере того, как комета приближается к Солнцу, сильное УФ-излучение разрушает молекулы диуглерода, которые она недавно создала, в процессе, называемом «фотодиссоциация». Этот процесс разрушает диуглерод до того, как он сможет уйти далеко от ядра, в результате чего зеленая кома становится ярче и сжимается – и гарантирует, что зеленый оттенок никогда не попадет в хвост.

Это химическое взаимодействие изучается здесь, на Земле, впервые.

Читать далее: Дело о пропавшей темной материи: в галактической тайне найден новый подозреваемый

«Я нахожу невероятным, что кто-то в 1930-е годы думал, что именно это и происходит, вплоть до уровня детализации механизма того, как это происходило, а затем, 90 лет спустя, мы узнаем, что именно это и происходит », — говорит г-жа Жасмин Борсовски. , ведущий автор исследования и бывший студент с отличием по науке UNSW.

«Герцберг был выдающимся физиком и получил Нобелевскую премию по химии в 1970-х годах. Очень интересно иметь возможность доказать одну из его теорий».

Профессор Шмидт, изучающий диуглерод в течение 15 лет, говорит, что полученные результаты помогут нам лучше понять как диуглерод, так и кометы.

«Диуглерод образуется в результате распада более крупных органических молекул, замороженных в ядре кометы — молекул, которые являются ингредиентами жизни», — говорит он.

«Понимая его время жизни и разрушение, мы сможем лучше понять, сколько органического материала испаряется с комет. Подобные открытия однажды могут помочь нам разгадать другие космические загадки».

Лазерное шоу, не имеющее аналогов

Чтобы решить эту загадку, команде нужно было воссоздать тот же галактический химический процесс в контролируемой среде на Земле.

Они добились этого с помощью вакуумной камеры, множества лазеров и одной мощной космической реакции.

«Сначала нам нужно было создать молекулу, которая слишком реакционноспособна, чтобы ее можно было хранить в бутылке», — говорит профессор Шмидт. «Это не то, что мы могли бы купить в магазинах.

Недавно созданные молекулы диуглерода были отправлены через газовый луч в вакуумную камеру длиной около двух метров.

Затем команда направила на диуглерод еще два УФ-лазера: один — чтобы наполнить его радиацией, другой — чтобы его атомы можно было обнаружить. Радиационный удар разорвал диуглерод на части, отправив его атомы углерода на детектор скорости. 

Анализируя скорость этих быстро движущихся атомов, команда смогла измерить силу углеродной связи примерно с точностью до одной из 20 000, что равносильно измерению 200 метров с точностью до сантиметра.

Г-жа Борсовски говорит, что из-за сложности эксперимента им потребовалось девять месяцев, прежде чем они смогли сделать свое первое наблюдение.

«Мы были готовы сдаться», — говорит она. «Мне потребовалось так много времени, чтобы убедиться, что все точно выстроено в пространстве и времени. 

«Все три лазера были невидимы, поэтому в темноте было много колющих ударов – в буквальном смысле».

Профессор Шмидт говорит, что впервые кто-либо наблюдал эту химическую реакцию.

«Чрезвычайно приятно решить загадку, возникшую еще в 1930-х годах».

Разгадывание космических загадок

В Солнечной системе известно около 3700 комет, хотя есть подозрения, что их может быть еще миллиарды. В среднем ядро ​​кометы имеет ширину целых 10 километров, но ее кома зачастую в 1000 раз больше.

Яркие кометы могут устроить захватывающие шоу для тех, кому посчастливилось их увидеть. Но в прошлом кометы, возможно, сделали для Земли больше — фактически, одна из теорий происхождения жизни состоит в том, что когда-то кометы доставили строительные блоки жизни прямо к нашему порогу.

«Это захватывающее исследование показывает нам, насколько сложны процессы в межзвездном пространстве», — говорит профессор Мартин ван Кранендонк , астробиолог и геолог из Университета Нового Южного Уэльса, который не участвовал в исследовании.

«Ранняя Земля столкнулась с мешаниной различных углеродсодержащих молекул, доставленных на ее поверхность, что позволило протекать еще более сложным реакциям в преддверии возникновения жизни».

Теперь, когда дело об отсутствующем зеленом хвосте у комет раскрыто, профессор Шмидт, специализирующийся на космической химии, хочет продолжить разгадывание других космических загадок. 

Далее он надеется исследовать диффузные межзвездные полосы: узоры темных линий между звездами, которые не соответствуют ни одному известному нам атому или молекуле.

«Диффузные межзвездные полосы — довольно большая неразгаданная загадка», — говорит он. «Мы не знаем, почему свет, приходящий на Землю, часто теряет свои частички.

«Это всего лишь еще одна загадка в огромном списке странных вещей в космосе, которые нам еще предстоит открыть».