Ион H₃⁺, запускающий химические реакции в межзвёздных облаках, испускает необычное инфракрасное излучение при вращении. Его существование предсказали 40 лет назад, но подтвердить расчёты удалось только сейчас — благодаря наблюдениям за ударными волнами вокруг молодой звезды.
Три ядра водорода в H₃⁺ образуют треугольник и делят между собой 2 электрона. Из-за симметрии у иона нет постоянного электрического дипольного момента, поэтому обычные правила квантовой механики запрещают ему испускать свет при чистом вращении. Однако в 1986 году астрофизики Фу-Ши Пан и Такэши Ока рассчитали, что при быстром вращении центробежные силы слегка деформируют структуру H₃⁺. Это создаёт слабый дипольный момент, позволяющий иону испускать свет. Такие переходы называют запрещёнными: они не нарушают законы физики, но крайне маловероятны. За последующие десятилетия обнаружить их не удалось даже в лабораторных экспериментах.
Команда астрономов из Университета Джонса Хопкинса использовала спектрограф MIRI на борту телескопа «Джеймс Уэбб». Наблюдения проводились в области HH 168 — объекта Хербига — Аро в созвездии Цефея, в 700 парсеках от Земли. Такие объекты возникают, когда молодые звёзды выбрасывают узкие потоки вещества, которые сталкиваются с окружающим газом. Ударные волны нагревают его до тысяч градусов и заставляют светиться в инфракрасном диапазоне.
Источник изображения: ESA/Webb, NASA, CSA, T. Ray
В спектрах HH 168 учёные обнаружили 26 линий H₃⁺ со статистической значимостью выше 5 сигма. Самая яркая, на длине волны 16,325 мкм, зарегистрирована со значимостью 72 сигма в одном из исследованных участков. Излучение совпадает по пространственному распределению и скорости с горячим молекулярным водородом, нагретым ударными волнами, а не с окружающим ионизированным газом. Это подтвердило, что сигнал действительно исходит от H₃⁺ в области столкновения потоков вещества.
Анализ спектра показал, что наблюдаемое вращательное распределение соответствует температуре около 730 К, однако это не означает, что сам газ настолько холодный: часть ионов быстро теряет энергию, испуская фотоны. Модели указывают, что столкновения происходят в газе с температурой не ниже 2000 К. Учёные также сравнили наблюдения с моделями двух типов ударных волн. Одна воспроизводит интенсивность H₃⁺ с точностью примерно до полутора раз, другая недооценивает её в 5–6 раз. При этом первая модель выходит за пределы условий, для которых её расчётный код был проверен, а процессы возбуждения иона при столкновениях пока изучены недостаточно.
Дополнительное подтверждение команда нашла в архивных наблюдениях другого объекта Хербига — Аро, HH 211: там также обнаружились характерные линии H₃⁺. Теперь спектр этого иона может стать новым инструментом для изучения ионизации горячего газа в областях звездообразования. H₃⁺ образуется в результате цепочки реакций, запускаемых космическими лучами, и передаёт протоны другим молекулам, определяя значительную часть химии межзвёздных облаков. Чтобы превратить новые наблюдения в точный метод измерения ионизации, учёным ещё предстоит получить данные о столкновениях H₃⁺ с водородом при высоких энергиях.
