Webb je uhvatio „zabranjeni” signal koji nikad prije nije viđen u svemiru, pa ni u laboratoriju

Svemirski teleskop James Webb prvi je put uhvatio čisti rotacijski spektar iona H₃⁺, predviđen još 1986., a koji dosad nije viđen ni u laboratoriju ni u bilo kojem astronomskom izvoru. Instrument MIRI zabilježio je 26 spektralnih linija, sve iznad praga od 5 sigma, u Herbig-Harovu objektu HH 168, u području nastanka zvijezda Cepheus A u zviježđu Cefeja. Najjača linija, na valnoj duljini 16,325 mikrometara, u jednom je polju dosegnula pouzdanost od 72 sigma.

Istraživanje je vodio David A. Neufeld sa Sveučilišta Johns Hopkins, uz suradnike s Instituta za svemirski teleskop i Sveučilišta u Rochesteru. Rad je prihvaćen za objavu u časopisu The Astrophysical Journal Letters, a dostupan je kao pretisak na arXivu.

Zašto se taj spektar naziva zabranjenim

Ion H₃⁺, poznat i kao trihidrogenov kation, nastaje kada kozmičke zrake ioniziraju molekulu vodika, a nastali ion zatim reagira s još jednom molekulom H₂. Ima oblik jednakostraničnog trokuta i zato nema stalni električni dipol, pa prema uobičajenim pravilima ne bi trebao emitirati čisti rotacijski spektar. Njegov vibracijski spektar već je odavno viđen: u emisiji u Jupiterovoj ionosferi i u apsorpciji kroz međuzvjezdane oblake.

Fu-Shih Pan i Takeshi Oka sa Sveučilišta u Chicagu izračunali su 1986. da rotacija taj ion centrifugalnom silom ipak malo izobličuje i tako stvara vrlo slab dipol. Prijelazi koji iz toga slijede iznimno su slabi i zato se nazivaju zabranjenima: to nije kršenje fizikalnih zakona, nego odstupanje od uobičajenih pravila odabira. Četrdeset je godina taj predviđeni signal ostao neuhvaćen, čak i u laboratorijskim pokušajima.

Udarni valovi mlade zvijezde

Herbig-Harovi objekti nastaju kada mlada zvijezda izbacuje uske mlazove plina brzinama od stotina kilometara u sekundi. Ti mlazovi udaraju u okolni molekulski oblak i stvaraju udarne valove, koji plin zagrijavaju i čine ga sjajnim. Webb ovakva područja dobro vidi jer infracrvena svjetlost prolazi kroz prašinu koja u vidljivom spektru zaklanja pogled, slično kao što je pokazalo i istraživanje kemije u oblacima Oriona.

Nove linije iona H₃⁺ dijele brzinu i prostornu raspodjelu vrućeg molekulskog vodika, a ne ioniziranog plina. Dijagram rotacije daje temperaturu od oko 730 kelvina, ali populacije energetskih razina nisu termalne. Autori to najbolje tumače kao pobuđivanje ispod termalne ravnoteže, u plinu vrućijem od 2000 kelvina.

Modeli se još ne slažu potpuno

Usporedba s modelima udarnih valova u blago ozračenom molekulskom plinu daje podijeljenu sliku. Disocijativni udar tipa J, kada se veze u molekulama kidaju, predviđa emisiju iona H₃⁺ unutar faktora od oko 1,5 u odnosu na opažanje. Nedisocijativni udar tipa C bolje opisuje linije običnog molekulskog vodika, ali emisiju H₃⁺ podcjenjuje pet do šest puta. Pobuđivanje tog iona energetskim sudarima još je slabo poznato, pa razlika zasad nije razriješena.

Isti zabranjeni spektar tim je pronašao i u arhivskim Webbovim podacima objekta HH 211, udarnog luka druge mlade zvijezde. Linije iona H₃⁺ tako postaju novi način za procjenu ionizacije u udarnim valovima molekulskog plina, uz već poznatu ulogu tog iona u kemiji koja u oblacima vodi prema složenijim molekulama, uključujući šećere u središtu Mliječne staze.

Sljedeći je korak bolje odrediti kako sudari pobuđuju ovaj ion, kako bi se modeli udarnih valova mogli provjeriti na oba spektra odjednom: i na običnom vodiku, i na H₃⁺.