Введение
Диффузные межзвездные полосы (ДМП) — это линии поглощения, наблюдаемые в спектрах астрономических объектов в Млечном Пути и других галактиках. Они возникают из-за поглощения света межзвездной средой. На сегодняшний день обнаружено около 500 таких полос в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Природа большинства ДМП остается неизвестной, наиболее распространенными предположениями являются полициклические ароматические углеводороды и другие крупные молекулы, содержащие углерод. Лишь для одной ДМП установлен переносчик: ионизированный букминстерфуллерен (C60+), который отвечает за несколько ДМП в ближнем инфракрасном диапазоне. Переносчики большинства ДМП остаются неидентифицированными.
Открытие и история
Большая часть астрономической работы основана на изучении спектров – света от астрономических объектов, разложенного при помощи призмы или, чаще, дифракционной решетки. Типичный звездный спектр состоит из континуума, содержащего линии поглощения, каждая из которых связана с определенным переходом атомного энергетического уровня в атмосфере звезды. Внешний вид всех астрономических объектов подвержен влиянию вымирания – поглощения и рассеяния фотонов межзвездной средой. Для DIB (диффузных межзвездных полос) существенным является межзвездное поглощение, которое преимущественно влияет на весь спектр непрерывным образом, а не создает отдельные линии поглощения. Однако в 1922 году астроном Мэри Ли Хегер впервые обнаружила ряд полос, напоминающих линии поглощения, которые, по-видимому, имели межзвездное происхождение. Их межзвездная природа была подтверждена тем фактом, что интенсивность наблюдаемого поглощения была приблизительно пропорциональна вымиранию, и что у объектов с существенно различающимися радиальными скоростями полосы поглощения не подвергались сдвигу Доплера, что указывало на то, что поглощение не происходит в самом объекте или вблизи него. Название «диффузная межзвездная полоса», или DIB, было дано для отражения того факта, что эти полосы поглощения значительно шире, чем обычные линии поглощения в звездных спектрах. Первыми обнаруженными DIB были полосы на длинах волн 578,0 и 579,7 нанометров (видимый свет соответствует диапазону длин волн 400–700 нанометров). Другие сильные DIB наблюдаются на 628,4, 661,4 и 443,0 нм. DIB на 443,0 нм особенно широка – около 1,2 нм, в то время как типичная ширина собственных звездных линий поглощения составляет 0,1 нм или меньше. Последующие спектроскопические исследования с более высоким спектральным разрешением и чувствительностью выявили все больше и больше DIB; каталог 1975 года содержал 25 известных DIB, а через десять лет их число более чем удвоилось. Первый обзор с ограниченным поиском был опубликован Питером Дженнискенсом и Ксавье Дезертом в 1994 году (см. рисунок выше), что привело к первой конференции, посвященной диффузным межзвездным полосам, в Университете Колорадо в Боулдере 16–19 мая 1994 года. На сегодняшний день обнаружено около 500 DIB. В последние годы для наблюдения и анализа DIB используются спектрографы с очень высоким разрешением, установленные на самых мощных телескопах мира. Спектральное разрешение 0,005 нм стало обычным при использовании инструментов в таких обсерваториях, как Европейская Южная обсерватория в Серро-Паранале (Чили) и Англо-Австралийская обсерватория в Австралии, и при таких высоких разрешениях многие DIB обнаруживаются с выраженной субструктурой.
Характер перевозчиков
Большая проблема, связанная с DIB, очевидная уже с самых ранних наблюдений, заключалась в том, что их центральные длины волн не соответствовали ни одной известной спектральной линии какого-либо иона или молекулы, и поэтому идентифицировать материал, ответственный за поглощение, не удавалось. По мере увеличения числа известных DIB было предложено множество теорий, и определение природы поглощающего материала (носителя) стало ключевой проблемой в астрофизике. Важным наблюдательным результатом является то, что интенсивности большинства DIB слабо коррелируют друг с другом. Это означает, что существует множество носителей, а не один, ответственный за все DIB. Также значимо, что интенсивность DIB в целом коррелирует с межзвездным поглощением. Поглощение вызвано межзвездной пылью; однако, DIB, вероятно, не связаны с пылевыми зернами. Наличие субструктуры в DIB подтверждает предположение о том, что они вызваны молекулами. Субструктура возникает из-за голов полос в контуре вращательных полос и изотопного замещения. В молекуле, содержащей, скажем, три атома углерода, часть углерода будет представлена изотопом углерода-13, поэтому, хотя большинство молекул будут содержать три атома углерода-12, некоторые будут содержать два атома 12C и один атом 13C, еще меньше – один атом 12C и два атома 13C, и лишь очень небольшая доля – три молекулы 13C. Каждая из этих форм молекулы создаст линию поглощения на немного отличающейся длине волны в состоянии покоя. Наиболее вероятными кандидатами на роль молекул, формирующих DIB, считаются крупные углеродсодержащие молекулы, распространенные в межзвездной среде. Полициклические ароматические углеводороды, молекулы с длинной углеродной цепью, такие как полиины, и фуллерены – все они потенциально важны. Эти типы молекул испытывают быструю и эффективную деактивацию при возбуждении фотоном, что приводит к уширению спектральных линий и обеспечивает их достаточную стабильность для существования в межзвездной среде.
Определение C60+ как носителя
По состоянию на 2021 год единственной молекулой, подтвержденной как носитель DIB, является ион бакминстерфуллерена, C60+. Вскоре после открытия Гарри Крото фуллеренов в 1980-х годах, он предположил, что они могут быть носителями DIB. Крото отметил, что ионизированная форма C60+ с большей вероятностью сохранится в диффузной межзвездной среде. В начале 1990-х годов лабораторные спектры C60+ были получены путем внедрения молекулы в твердые льды, которые показали сильные полосы в ближнем инфракрасном диапазоне. В 1994 году Бернард Фоинг и Паскаль Эренфреунд обнаружили новые DIB с длинами волн, близкими к тем, что были получены в лабораторных спектрах, и предположили, что разница обусловлена смещением между длинами волн в газовой и твердой фазах. Однако этот вывод был оспорен другими исследователями, такими как Питер Дженнискенс, на основании ряда спектроскопических и наблюдательных данных. В 2015 году группой под руководством Джона Майера был получен лабораторный спектр C60+ в газовой фазе. Их результаты соответствовали длинам волн, наблюдавшимся Фоингом и Эренфреундом в 1994 году. Другие исследователи выдвинули новые возражения, но к 2019 году полосы C60+ и их идентификация были подтверждены несколькими группами астрономов и химиков, работающих в лаборатории.