1-qism. Fazoviy kimyo: olimlar nima uchun va qanday qilib olis yulduzlar va ekzosayyoralar tarkibini o‘rganishadi? to’liq malumot oling

Zamonaviy astronomlarga bizdan toʻrt mingdan yigirma sakkiz ming yorugʻlik yiligacha boʻlgan masofada joylashgan uch yarim mingga yaqin ekzosayyoralar maʼlum. Ulardan baʼzilari Yerga juda oʻxshash. Agar insoniyat ulkan texnologik sakrashni amalga oshirmasa, yaqin kelajakda ekzosayyoralarning birortasiga borishning imkoni yoʻq. Shunga qaramay, ekzosayyoralar astrokimyo nuqtai nazaridan allaqachon katta qiziqish uygʻotmoqda. Bu haqda Ural Federal universiteti bilan hamkorlikda yozilgan yangi maqolamizda gapiramiz.

Olamlar materiyasining asosiy qismi (agar barion materiyasi haqida gapiradigan boʻlsak) vodoroddan (taxminan 75 foiz) iborat. Ikkinchi oʻrinda geliy (taxminan 23 foiz) turadi. Biroq fazoda turli xil kimyoviy elementlarni va hatto murakkab molekulyar birikmalarni, jumladan, organik birikmalarni ham topish mumkin. Astrokimyo sohasi fazoda kimyoviy birikmalarning hosil boʻlishi va oʻzaro taʼsir qilish jarayonlarini oʻrganish bilan shugʻullanadi. Ushbu mutaxassislik vakillari ekzosayyoralarni oʻrganishga qiziqishadi, chunki ular vositasida turli xil ssenariylarni amalga oshirish mumkin. Bu esa gʻayrioddiy birikmalarning paydo boʻlishiga olib keladi.

Kamalak astronomlar xizmatida

Uzoqlarda joylashgan jismlarning kimyoviy tarkibi haqida maʼlumot olishning asosiy vositasi spektroskopiya hisoblanadi. U kimyoviy elementlarning atomlari (yoki birikma molekulalari) yorugʻlikni faqat maʼlum chastotalarda qaytarishi yoki yutishi mumkinligini ifodalaydi. Bu tizimning turli energiya darajalari orasidagi oʻtish reaksiyalariga mos keladi. Natijada unga koʻra moddaning turini aniqlash mumkin boʻlgan qaytarish (yoki yutilish) spektri shakllanadi. Bu barmoq izlari kabi, faqat atomlar uchun.

Yorugʻlikning spektrga parchalanishiga yaqqol misol kamalakdir. Biz uchun bir rangdan ikkinchisiga oʻtish silliq va uzluksiz ravishda koʻringani bilan, aslida baʼzi ranglar kamalakda mavjud emas, chunki maʼlum toʻlqin uzunliklari Quyosh tarkibidagi vodorod va geliy tomonidan yutiladi. Aytgancha, geliy birinchi marta Quyosh spektrini kuzatish orqali aniqlangan (shuning uchun uning “geliy” degan nomi yunoncha ἥlios – “quyosh” soʻzidan olingan). Laboratoriyada esa oradan faqatgina 27 yil oʻtgach nur tarkibidan ajratib olingan. Bu yulduzlarni oʻrganish uchun spektroskopiyadan birinchi marta muvaffaqiyatli foydalanilishga misol edi.

Quyosh fotosferasining uzluksiz spektri fonida fraungofer yutilish chiziqlari / Wikimedia Commons

Vodorod atomining eng oddiy holatida nur qaytarish spektri asosiy n kvant sonining turli qiymatlari bilan darajalar oʻrtasidagi oʻtishlarga mos keladigan bir qator chiziqlarni anglatadi (bu manzara Ridberg formulasi bilan yaxshi ifodalab berilgan). Kuzatishlar uchun eng mashhur va qulay diapazon Balmer Ha chizigʻi boʻlib, u 656 nanometr toʻlqin uzunligiga ega va koʻz koʻradigan spektrda yotadi. Masalan, bu chiziqda astronomlar uzoq galaktikalarni kuzatadi va asosan vodoroddan tashkil topgan molekulyar gaz bulutlarini aniqlaydi. Keyingi qator chiziqlar (Pashen, Breket, Pfund va boshqalar) butunlay infraqizil diapazonda, Layman chiziqlari esa ultrabinafsha diapazonda joylashgan. Bu kuzatishlarni biroz qiyinlashtiradi.

Shu bilan birga, murakkab birikmalar molekulalari yorugʻlik kvantlarini chiqarishning yana bir usuliga ega. Buni maʼlum maʼnoda soddaroq usul desa ham boʻladi. Bu molekulalarning aylanish energiyasi kvantlanishi bilan bogʻliq boʻlib, ularning chiziqlar boʻylab nur chiqarishiga ham imkon beradi (qoʻshimcha ravishda ular uzluksiz spektrni ham oʻzlarida aks ettirishi mumkin). Bunday yorugʻlik kvantlarining energiyasi juda yuqori emas, shuning uchun ularning chastotasi radio diapazonida joylashgan boʻladi. Eng oddiy aylanish spektrlaridan biri CO – uglerod oksidi molekulasiga tegishli boʻlib, astronomlar koʻpincha ulardagi vodorodni koʻra olmagani sababli COʻdan sovuq gaz bulutlarini tanib olish uchun foydalanadi. Radioastronomiya usullari molekulyar bulutlarda metanol, etanol, formaldegid, sinil va chumoli kislotasi, shuningdek, boshqa elementlarni topish imkonini berdi. Masalan, aynan radioteleskop yordamida olimlar Lavjoy kometasining dumida spirtni topishgan.

Fazoda nimalarni topish mumkin?

Spektroskopiya usullaridan foydalanishning eng oson yoʻli yulduzlarning kimyoviy tarkibini oʻrganishdir. Bu holda astronomlar elementlarning nur taratish spektrlarini emas, balki yutilish spektrlarini oʻrganadi. Darhaqiqat, ular orqali yorugʻlikni kuzatish oson, ayniqsa koʻzga koʻrinadigan diapazonda. Toʻgʻri, yulduzlarning kimyoviy tarkibi odatda unchalik qiziq emas. Koʻpincha ular vodorod va geliydan hamda ozgina ogʻir elementlar aralashmasidan iborat.

Ogʻirroq elementlar oʻta yangi yulduz portlashlarida hosil boʻladi va ularni ham kuzatish mumkin. Misol uchun, baʼzi olimlarning taʼkidlashicha, yaqinda qayd etilgan ikkita neytron yulduzining birlashishi davriy jadvalning oxirgi qatorlaridan joy olgan elementlar – oltin, platina va boshqa elementlarni juda koʻp miqdorda paydo qilishi kerak edi. Ammo u yoki bu tarzda juda murakkab yoki organik birikmalar yulduzlarda paydo boʻlishi mumkin emas, chunki ular yuqori harorat tufayli albatta parchalanib ketadi.

Yulduzlararo sovuq gaz bulutlari esa boshqa masala. Ular juda kam uchraydi va yulduzlarga qaraganda ancha zaifroq nur sochadi, lekin ancha katta maydonni egallaydi. Ularning tarkibi yanada qiziqarli. Shuningdek, ular oddiy ikki atomlidan boshlab nisbatan murakkab boʻlgan koʻp atomli organik birikmalargacha juda koʻp sonli turli xil molekulalarni oʻz ichiga oladi. Murakkab molekulalar orasida, ayniqsa, “prebiotik” birikmalarni ajratib koʻrsatish mumkin. Masalan, aminoasetonitril, glitsin eng oddiy aminokislota hosil boʻlishida ishtirok etishi mumkin. Baʼzi olimlarning fikricha, organik hayotning asosiy tamal toshlaridan biri boʻlgan riboza molekulyar bulutlarda ham paydo boʻlishi mumkin. Agar bunday birikmalar qulay sharoitlarga tushib qolsa, bu hayotning paydo boʻlishi uchun katta qadam boʻladi.

UrFUʼning Kourovka fazoviy rasadxonasi tomonidan olingan M42 Orion tumanligining surati. Qizil rang 656,3 nanometr toʻlqin uzunligida Ha emissiya chizigʻidagi rekombinatsiya natijasidir / UrFU
Sayyoralarga biroz yaqinroq

Afsuski, ekzosayyoralarning kimyoviy tarkibini aniqlash uchun spektroskopiya usulini qoʻllash qiyin masala. Chunki buning uchun ulardan qaytadigan yorugʻlikni qayd etish kerak. Sayyora aylanadigan yulduz buni amalga oshirishga toʻsqinlik qiladi, chunki u sayyoradan qaytadigan nurdan ancha yorqinroq porlaydi. Bunday tizimni kuzatishga urinish xuddi gugurt olovini projektor fonida kuzatishga oʻxshaydi.

Biroq ekzosayyora haqidagi baʼzi maʼlumotlarni uning nur taratish spektrini toʻgʻridan-toʻgʻri oʻlchamasdan turib ham olish mumkin. Bu quyidagicha amalga oshiriladi. Agar sayyora atmosferaga ega boʻlsa, u yulduzdan keladigan nurning bir qismini turli xil spektral diapazonlarda turli yoʻllar bilan yutishi kerak. Taxminan aytganda, bir toʻlqin uzunligida sayyora nurlari biroz kichikroq, boshqa toʻlqin uzunligida esa biroz koʻproq koʻrinadi. Bu atmosferaning xususiyatlari, xususan, uning kimyoviy tarkibi haqida taxmin qilish imkonini beradi. Kuzatishning bu usuli yulduzlarga yaqin boʻlgan qaynoq sayyoralarda yaxshi ish beradi, chunki ularning radiusini oʻlchash osonroq.

Bundan tashqari, sayyoraning kimyoviy tarkibi u hosil boʻlgan gaz va chang bulutining tarkibi bilan bogʻliq boʻlishi kerak. Masalan, uglerod atomlarining kislorod atomlariga nisbati katta boʻlgan bulutlar ishtirokida hosil boʻlgan sayyoralar asosan karbonatlardan iborat boʻladi. Xuddi shu tartibda bunday bulutdan hosil boʻlgan yulduzning kimyoviy tarkibi ham bulut tarkibini aks ettirishi kerak. Bu bitta yulduz spektrini oʻrganish asosida bir nechta taxminlarni ilgari surish imkonini beradi. Shunday qilib, Yel universiteti astronomlari 850 ta yulduzning kimyoviy tarkibi haqidagi maʼlumotlarni tahlil qilib, tizimlarning 60 foizida yulduzdagi magniy va kremniy miqdori Yerga oʻxshash tosh sayyoralarga yaqin boʻlishi mumkinligini koʻrsatishini aniqladi. Qolgan 40 foiz yulduzlarning kimyoviy tarkibi ular atrofidagi sayyoralar Yerdan sezilarli darajada farq qilishi haqida maʼlumot berdi.

Umuman olganda, soʻnggi paytlarda oʻlchov vositalarining aniqligi oshishi tufayli xira yulduzlar fonida issiq sayyoralarni toʻgʻridan-toʻgʻri spektroskopiya qilish imkoni paydo boʻldi. Ular yordamida turli xil kimyoviy elementlarning izlari va sayyoralar nurida murakkab birikmalarni izlash mumkin. Masalan, VLT teleskopiga oʻrnatilgan CONICA IR spektrografi yordamida va NAOS adaptiv optika tizimi bilan birgalikda olimlar oq pakana atrofida aylanadigan va kuchli qizishi ortidan oʻzi ham nur chiqaradigan HR 8799 c ekzosayyorasi spektrini oʻlchashga muvaffaq boʻlishdi. Xususan, uning spektrini tahlil qilish natijasida sayyora atmosferasida kutilganidan kamroq metan va uglerod oksidi borligi aniqlandi. Shuningdek, yaqinda astronomlar yana bir “issiq yupiter” spektrini oʻlchab, uning atmosferasida titan oksidini topdi. Biroq kamroq issiq toshli sayyoralar spektrini toʻgʻridan- toʻgʻri oʻlchash (u yerlarda hayotning mavjudlik ehtimoli koʻproq) haligacha murakkab.

HR 8799 tizimining tasviri. HR 8799 c sayyorasi yuqori oʻng burchakda joylashgan / Jeyson Vong va boshqalar / NASA NExSS, V. M. Kek rasadxonasi

Sayyora tarkibini uning zichligini hisoblash orqali bilvosita ham aniqlash mumkin. Buning uchun sayyoraning radiusi va massasini bilish kerak. Massani sayyoraning yulduz yoki boshqa sayyoralar bilan tortishish kuchining oʻzaro taʼsirini kuzatish orqali topish va radiusni sayyora uning diskidan oʻtayotganda yulduz yorqinligining oʻzgarishiga qarab taxmin qilish mumkin. Shubhasiz, gazli sayyoralar toshli sayyoralarga qaraganda kamroq zichlikka ega boʻladi. Misol uchun, Yerning oʻrtacha zichligi har kub santimetr uchun taxminan 5,5 grammni tashkil qiladi va astronomlar yashashga yaroqli sayyoralarni qidirishda ushbu qiymatga tayanadi. Shu bilan birga, “eng yumshoq issiq yupiter”ning zichligi har kub santimetr uchun 0,1 grammni tashkil qiladi.

Maqolaning 2-qismini bu yerda o‘qing → sinaps.uz/maqola/17206/

Muallif: Dmitriy Trunin. Ushbu maqola nplus1.ru saytidagi “Что можно найти в космосе и на других планетах: химические вещества, газы, состав Вселенной и звезд. Зачем и как ученые исследуют состав далеких звезд и экзопланет” nomli maqolaning tarjimasi.
Muqova surat: freepik.com