Спектроскопия протозвезды, скрытой в пылевом облаке в туманности Тарантул

Космический телескоп Джеймса Уэбба с помощью спектрографа NIRSpec наблюдал ближний инфракрасный спектр выбранной протозвезды в туманности Тарантул в цветах (λ длины волны) нейтрального водорода (λ = 1,87 мкм), молекулярного водорода (λ = 2,12 мкм) углеводородная пыль (λ = 1,87 мкм). Астрономы используют эти наблюдения для определения химического состава протозвезды и окружающего ее облака. Эта спектральная информация также определит возраст туманности и количество поколений протозвезд, сформировавшихся в ней

Взгляд на одну из протозвезд в туманности Тарантул

Космический телескоп Джеймса Уэбба может фотографировать небо в инфракрасном диапазоне с помощью целых 27 фильтров, пропускающих свет в диапазоне длин волн λ от ~0,6 мкм до ~30 мкм (для сравнения, человеческий глаз видит фотоны λ ~0,38-0,78 мкм). Эти фильтры пропускают свет в довольно широком диапазоне от ~ 0,1 мкм до даже ~ 10 мкм 
Изображения одного и того же небесного тела в разных инфракрасных фильтрах можно объединить в одно изображение, присвоив привычные нам цвета радуги — от синего для инфракрасного света с самой короткой длиной волны λ, через зеленый и желтый для средних λ, до красного для самого длинного λ . Обработав фото так, как это делает фотограф (например, подкорректировав баланс белого, контрастность, цвет), можно получить красивое фото фрагмента неба в сопоставленных цветах, пример которого — Туманность Тарантул можно увидеть ниже.

В частности, камера NIRCam получила серию изображений в ближнем инфракрасном диапазоне, которые были собраны в мозаику из изображений, охватывающих 340 световых приманок, показывающих туманность Тарантул в новом свете. Здесь видны десятки тысяч молодых звезд, которые еще предстоит открыть, потому что они были спрятаны в облаках межзвездной пыли. Наиболее активная область светится голубым светом молодых массивных звезд. Также между ними видны светящиеся красные, но скрытые звезды, которые продолжают появляться из пылевых коконов туманности. Камера NIRCam может обнаруживать эти пыльные звезды с беспрецедентным разрешением в ближнем инфракрасном диапазоне.

Мозаика изображений туманности Тарантул в ближнем инфракрасном диапазоне, сделанных камерой NIRCam космического телескопа Джеймса Уэбба. Здесь цвета были сопоставлены следующим образом: синий — фильтр F090W, зеленый — F200W, оранжевый — F335W, красный — F444W, и секция, соответствующая 50 л. С беспрецедентным разрешением видна область формирования молодых звезд, десятки тысяч которых до сих пор не обнаружены, потому что были спрятаны в облаках межзвездной пыли. Наиболее активная область — это скопление молодых массивных звезд, которые сверкают голубым цветом в центре изображения. Дальше от центральной области туманности Тарантул газ приобретает ржавый цвет, что здесь указывает на то, что туманность богата углеводородными соединениями. Этот плотный газ является материалом, из которого в будущем будут формироваться звезды.НАСА, ЕКА, CSA, STScI, производственная группа Webb ERO

Более развитая звезда рядом с центром изображения — вверху слева от молодого массивного звездного скопления — окружена восемью отчетливыми дифракционными лучами («шипами») . Это артефакты, полученные в результате строительства космического телескопа Джеймса Уэбба. Продлив луч, направленный прямо вверх, можно увидеть в этой туманности заметный пузырь. Речь идет о структуре, заключенной в меньший из двух квадратов, очерченных белой линией с полем зрения 3″х3″ на фрагменте туманности Тарантул ниже, спектр которого был зарегистрирован спектрографом NIRSpec.

Обрезанная часть изображения туманности Тарантул в ближнем инфракрасном диапазоне, полученного камерой NIRCam космического телескопа Джеймса Уэбба. В меньшем из двух квадратов, обведенных белой линией, ориентировочно отмечено поле наблюдения NIRSpec размером 3 x 3 дюйма с протозвездой. Результат спектроскопических наблюдений показан на заглавной иллюстрации.

Спектрограф NIRSpec наблюдает за выбранной протозвездой.

Инфракрасные изображения, полные цветов, прекрасны, но много захватывающих открытий было сделано благодаря наблюдениям в очень узком спектральном диапазоне с помощью спектрографов, например, выбранных спектральных линий элементов, молекул или даже пыли. На борту космического телескопа Джеймса Уэбба находится спектрограф NIRSpec, позволяющий регистрировать любую часть спектра в ближней инфракрасной области (λ → 0,6–5,0 мкм). Спектрограф наблюдал выбранную протозвезду, и результат этих наблюдений показан на заглавном изображении.

Спектрограф NIRSpec в режиме IFU (аббревиатура от Integral Field Unit) выполняет спектроскопию всего поля для протяженных объектов, таких как галактика или протозвезда с окружающей туманностью. В этом моде поле зрения спектрографа 3″x3″ «нарезается» на полоски шириной 0,1″, которые затем складываются в длинную щель. Благодаря этому можно получать пространственно разнесенные спектры больших площадей и использовать их для измерения скорости и направлений движения протяженных объектов.

Интересные структуры восходящей звезды были зарегистрированы на трех разных длинах волн и показаны на титульном изображении. Синим цветом показано излучение нейтральных атомов водорода, λ = 1,87 мкм, от центральной протозвезды и окружающего ее пузыря. Между этими объектами находится свет λ = 2,12 мкм, исходящий от молекулярного водорода H 2 (изображение зеленого цвета) и пылинок углеводородной пыли λ = 3,3 мкм (изображение красного цвета).

В модели Бора нейтрального атома водорода последовательность спектральных линий, называемых сериями Лаймана, Бальмера, Пашена и т. д., создается в результате перемещения электрона на орбиталь n=1, n=2, n=3. соответственно от высших. В частности, электромагнитное излучение в альфа-спектральной линии Пашена (λ=1,875 мкм=1875 нм), наблюдаемое космическим телескопом Джеймса Уэбба, испускается, когда электрон переходит между n=4 и n=3 орбиталями. 

Спектральная линия с длиной волны λ = 1,87 мкм названа учеными альфа Пашена (Pa-α) и в боровской модели атома водорода образуется при скачке электрона с орбитали n = 4 на орбиталь n = 3. разница энергии излучается в виде электромагнитного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне. Подобные переходы электрона на орбиталь n = 3 с более высоких вызывают излучение набора спектральных линий, называемых серией Пашена с λ в диапазоне от 1,87 мкм (Pa-α) до 0,82 мкм (предел серии Пашена). Также хорошо известна группа спектральных линий в ультрафиолетовой области нейтрального водорода, называемая серией Лаймана, которая соответствует скачкам электрона на орбиталь n = 1. Лучше всего в астрономии изучены линии бальмеровской серии, видимые в оптическом диапазоне, т. е. переходы электронов на орбиталь n = 2.
Колебательно-вращательные переходы в молекуле водорода H 2 генерируют спектральную линию λ = 2,12 мкм.
Наиболее загадочным фрагментом спектра, наблюдаемым спектрографом NIRSpec, является полоса λ = 3,3 мкм. Это одна из полос излучения (самая сильная из них → λ ~ 3,3; 6,2; 7,7; 8,6; 11,2 и 12,7 мкм), которую астрономы назвали неопознанным инфракрасным излучением, сокращенно UIE или UIR — от английского словосочетания « неопознанное инфракрасное излучение » . . УИЭ изучаются уже более 30 лет, но источник этих выбросов до сих пор неизвестен. Предполагается, что одними из них являются молекулы полициклических ароматических углеводородов .(ПАУ — сокращение от полициклические ароматические углеводороды). Они также могут быть более сложными соединениями, чем ПАУ. В 2022 году было опубликовано краткое изложение современного состояния знаний о неопознанных инфракрасных излучениях под названием «Тайна неопознанных диапазонов инфракрасного излучения» ( arXiv: 2201.02892 ).

На заглавном изображении подпись атомарного водорода (синяя) появляется в самой звезде, но не непосредственно вокруг нее. Вместо этого снаружи появляются «пузыри», которые, как видно из спектров, на самом деле «заполнены» молекулярным водородом H 2 (зеленый) и углеводородными соединениями (красный). Это указывает на то, что пузырь на самом деле находится поверх плотного столба пыли и газа, который разрушается излучением молодого массивного звездного скопления, видимого на изображении NIRCam в правом нижнем углу. Этот объект не похож на столб или столп по сравнению с некоторыми другими сооружениями в этой туманности из-за отсутствия достаточного цветового контраста с окружающей местностью.

Пагубный звездный ветер от молодых массивных звезд в туманности разрушает молекулы снаружи столбов, но они сохраняются внутри, создавая безопасный кокон для звезды. Эта старлетка еще слишком молода, чтобы наводить порядок вокруг себя, надувая мыльный пузырь. В наблюдаемом случае спектрограф NIRSpec зафиксировал протозвезду, только начавшую выходить из защитного облака, из которого она образовалась. Без инфракрасного разрешения Уэбба открытие этой зарождающейся звезды было бы невозможно. Астрономы использовали наблюдения NIRSpec, чтобы определить химический состав протозвезды и окружающего ее газа. Эта спектральная информация также определит возраст туманности и количество поколений протозвезд, сформировавшихся в ней.