Ученые выяснили, куда пропадает сера в холодных молекулярных облаках
Сера — один из самых распространенных элементов во Вселенной. В разреженных межзвездных облаках ее ровно столько, сколько должно быть по законам звездного нуклеосинтеза — то есть по тому, как звезды производят элементы в своих недрах. Но стоит заглянуть в плотное холодное молекулярное облако — место, где как раз и рождаются новые звезды, — и картина резко меняется: 99% серы там будто бы исчезает. Ученые называют это проблемой пропавшей серы, и она не дает покоя астрохимикам уже несколько десятилетий.
Главная версия: сера прячется в ледяных пылевых зернах, которые покрывают частицы пыли в этих облаках. Такой лед почти не виден современными инструментами — он скрывает серу от наблюдателей. Но чтобы проверить эту гипотезу, мало просто посмотреть в телескоп: нужно понять химию текущих процессов.
Именно этим занялись ученые из Института внеземной физики Общества Макса Планка и испанского Центра астробиологии. Они написали компьютерную симуляцию, которая воспроизводит серную химию в межзвездных льдах. Модель работает на основе pyRate — программы на языке Python, которая просчитывает реакции между молекулами на поверхности льда и в газовой фазе. Результаты опубликованы в журнале Astronomy & Astrophysic.
За основу авторы взяли реальный лабораторный эксперимент 2024 года . В нем смесь диоксида углерода (CO₂) и дисульфида углерода (CS₂) охлаждали до минус 263 градусов Цельсия и облучали вакуумными ультрафиолетовыми фотонами. Такое излучение, которое в земных условиях полностью поглощается атмосферой, в открытом космосе активно разбивает молекулы на части. В результате образовалась смесь новых соединений: диоксид серы, карбонилсульфид, а также чистые цепочки атомов серы, которые называются аллотропами. Значительная часть серы при этом пропала — по всей видимости, она оказалась заперта в длинных серных цепочках, которые оказались невидимы для приборов.
Симуляция позволила копнуть глубже. Когда авторы запустили модель с обычной диффузией — стандартным механизмом, при котором молекулы бродят по поверхности льда, пока случайно не столкнутся друг с другом, — реакции почти останавливались . При температуре -263 градуса Цельсия молекулам просто не хватает тепловой энергии для движения. Включение «недиффузионной химии» все изменило: этот механизм описывает ситуацию, когда атом, только что оторвавшийся от молекулы, сразу реагирует с ближайшим соседом, не успевая никуда просочиться путем диффузии. Именно это и запускает всю цепочку реакций.
Второй вывод касается глубины проникновения ультрафиолетового фотона в лед. Симуляция показала, что фотон пробивает примерно 100 монослоев льда — то есть 100 одиночных слоев молекул. Раньше этот вопрос оставался дискуссионным, и теперь его можно зафиксировать как параметр для будущих астрохимических программ.
Расхождения между симуляцией и лабораторными данными тоже оказались информативными. Эксперимент фиксировал диоксид серы как главный продукт и высокое содержание аллотропов, тогда как модель давала мало и того, и другого. Зато симуляция предсказывала высокие концентрации карбонилсульфида, монооксида серы и моносульфида углерода — и выяснилось, что в экспериментальных данных эти сигналы просто тонули в доминирующем сигнале от диоксида серы.
Иллюстрация Olli Sipilä
Самое популярное
