Teleskop JWST uhvatio svjetlost koju astronomi traže od 1986. godine

Jedan od najvažnijih molekula u svemiru konačno je otkrio svjetlost koju je skrivao decenijama. Riječ je o katjonu trihidrogena (H3+), molekuli koja predstavlja osnovu gotovo sve hemije u međuzvjezdanim gasovima, uključujući nastanak složenih organskih spojeva — sastojaka potrebnih za život. Naučnici ga zbog toga ponekad nazivaju "molekulom koji je stvorio svemir". Detektovan je u međuzvjezdanim oblacima i djelimično je odgovoran za sjaj Jupiterove aurore.

Posebna vrsta svjetlosti koju ovaj molekul emituje prilikom rotacije predviđena je još 1986. godine, kada su astrofizičari Fu-Shih Pan i Takeshi Oka s Univerziteta u Čikagu izračunali da bi trihidrogen tokom rotacije trebalo da emituje vrlo slabo zračenje. Problem je u obliku molekula: njegova tri jezgra vodika dijele samo dva elektrona i formiraju jednakostranični trougao, pa molekul nema trajni dipolni moment ni dozvoljeni čisti rotacioni spektar. Kako se okreće, električni naboj ostaje ravnomjerno raspoređen i ne proizvodi zračenje koje molekuli obično emituju.

Pan i Oka su pronašli rupu u tim pravilima: centrifugalne sile pri rotaciji blago narušavaju savršenu simetriju molekula, stvarajući sićušni dipolni moment koji ipak omogućava emisiju zračenja. Takvi prijelazi toliko su slabi da se smatraju "zabranjenim" — ne zato što krše zakone fizike, već zato što su isključeni uobičajenim pravilima molekularnog zračenja. Tokom četiri decenije to predviđanje je ostalo nepotvrđeno; signal je bio preslab i za laboratorijske eksperimente.

Novorođena zvijezda i moćni teleskop

Potpuno novu kombinaciju donijeli su svemirski teleskop JWST i mlada zvijezda u dramatičnoj erupciji. Herbig-Haro objekti nastaju kada zvijezda u formiranju, hraneći se materijom koja je okružuje, jakim magnetnim poljima izbaci dio te materije nazad u svemir u obliku uskih mlazeva koji putuju stotinama kilometara u sekundi. Ti mlazevi se zabijaju u okolni molekularni oblak, stvarajući ogromne udarne talase koji zagrijevaju gas na hiljade stepeni i tjeraju ga da zasija svjetlošću.

Budući da se taj proces često odvija u debelom nebularnom oblaku iz kojeg zvijezda nastaje, teško ga je posmatrati. Infracrveno zračenje koje JWST detektuje bolje prodire kroz prašinu od vidljive svjetlosti, pa su Herbig-Haro objekti posebno zanimljivi ciljevi ovog teleskopa.

Analizirajući JWST-ova posmatranja objekta Herbig-Haro 168 (HH 168), tim predvođen Davidom Neufeldom sa Johns Hopkins University primijetio je nešto neobično: među infracrvenim emisijama vrućeg, udarnog gasa udaljenog hiljadama svjetlosnih godina pojavio se niz izuzetno slabih spektralnih linija čije talasne dužine odgovaraju zabranjenim rotacionim prijelazima trihidrogenovog katjona, izračunatim četiri decenije ranije. Naučnici su identifikovali 26 različitih linija, svih s visokom statističkom pouzdanošću — najjača linija dostigla je čak 72 sigma, što praktično isključuje slučajnost.

Prvi put astronomi su zabilježili da ovaj molekul emituje svjetlost koja nikada prije nije posmatrana nigdje u svemiru, a količina zračenja znatno je premašila ono što su modeli predviđali. Otkriće bi moglo pomoći u razumijevanju fizike gigantskih udarnih talasa koje stvaraju novorođene zvijezde, kao i sudbine tog ključnog molekula u tako nasilnom okruženju.

Jednako zanimljivo bilo je i to gdje se signal pojavio među turbulentnim gasom pogođenim mlazevima mlade zvijezde: on je pažljivo pratio emisiju običnog molekularnog vodika (H2), što sugerira da oba molekula odgovaraju na iste nasilne uslove. Objasniti kako ti uslovi proizvode tako sjajnu emisiju trihidrogena pokazalo se, međutim, složenijim. Kada su istraživači pokušali reproducirati posmatranja modelima udarnih talasa, nijedan pristup nije radio savršeno: jedan model je dobro reproducirao emisiju običnog molekularnog vodika, ali je podcijenio signal trihidrogena pet do šest puta, dok se drugi mnogo bliže poklopio s emisijom trihidrogena, ali se oslanjao na uslove izvan opsega za koji je model validiran. Potrebno je, dakle, još istraživanja kako bi se objasnilo zašto je emisija bila tako sjajna.

Posljednji dio slagalice ipak sugerira da svemir to, šta god se dešavalo, može učiniti s lakoćom: kada je tim pregledao arhivska JWST-ova posmatranja drugog Herbig-Haro objekta, HH 211, tamo je pronašao isti prepoznatljivi signal. Pan i Oka su, dakle, cijelo vrijeme bili u pravu — nedostajao je samo alat dovoljno osjetljiv da to potvrdi. A sada bi se i sam trihidrogen mogao pretvoriti u alat, onaj koji naučnici mogu koristiti za bolje razumijevanje hemije koja najjednostavniji element svemira pretvara u složene spojeve.