Водород оказался недостающим звеном в формировании космической пыли

Международная группа ученых обнаружила, что ключевую роль в образовании пыли карбида кремния играет молекулярный водород. В ходе экспериментов, воссоздающих условия богатых углеродом умирающих звезд, выяснилось, что именно водород запускает цепочку химических реакций, приводящих к формированию твердых пылевых частиц. Результаты этого исследования были опубликованы в научном журнале Nature Astronomy.

Карбид кремния (SiC) в виде мельчайшей пыли является одним из основных строительных материалов космоса. Эти микроскопические частицы, плавающие в межзвездной среде, со временем участвуют в формировании новых планет и звезд. Соединение кремния и углерода традиционно обнаруживают в атмосферах стареющих звезд, особенно тех, где содержание углерода превышает обычный уровень. Однако до недавнего времени точная последовательность химических превращений, в результате которой из отдельных атомов образуются твердые зерна пыли, оставалась неразгаданной.

Чтобы пролить свет на этот процесс, ученые создали уникальную экспериментальную систему, которую они назвали «Установка звездной пыли». Эта камера сверхвысокого вакуума позволяет имитировать физико-химические условия, характерные для внешних слоев углеродных звезд, находящихся на финальных стадиях своей эволюции. Разработка и создание оборудования заняли несколько лет, поскольку воспроизвести звездную среду в лаборатории исключительно сложно.

В ходе экспериментов исследователи сначала испарили кремний и углерод, получив горячий газ из свободных атомов. Затем в эту смесь они начали добавлять водород в разных концентрациях, чтобы выяснить, как именно этот элемент влияет на ход реакции. Для анализа образующихся веществ применялись два метода одновременно: инфракрасная спектроскопия и масс-спектрометрия, которые позволяли идентифицировать молекулы в реальном времени.

Ключевое открытие состояло в том, что без участия водорода атомы кремния и углерода практически не взаимодействовали друг с другом, оставаясь разделенными. Однако как только в систему вводили молекулярный водород, химическая картина радикально менялась.

Атомарный углерод начинал реагировать с водородом, порождая простейшие углеводороды, в частности ацетилен. Эти углеводороды, в свою очередь, вступали в реакцию с атомами кремния по нескольким возможным путям, что приводило к образованию газообразного карбида кремния в форме SiC₂.

Именно эта молекула, по словам авторов работы, стала единственным обнаруженным газообразным предшественником, который затем конденсировался и слипался, формируя уже твердые наночастицы пыли. Полученные в лаборатории аналоги пылевых зерен оказались частично гидрогенизированными, что также дает важную информацию об их реальном составе в космосе.

Работа демонстрирует, что молекулярный водород играет центральную роль в рождении космической пыли из карбида кремния. Водород выступает в качестве катализатора и строительного блока, инициируя образование углеводородов, которые затем связываются с кремнием. Эти выводы не только объясняют давнюю загадку астрофизики, но и дают астрономам новый инструмент: сравнивая лабораторные данные с наблюдениями телескопов, можно будет гораздо точнее интерпретировать химический состав атмосфер умирающих звезд и проследить весь путь от простых атомов до твердых зерен пыли.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях