За короткий час з моменту запуску космічної обсерваторії ESA "Гершель" 14 травня 2009 року вже скоєно кілька відкриттів в інфрачервоному і субміліметровому діапазоні електромагнітного спектра. Останнє: виявлення гарячої водяної пари в навколозоряних оболонці вуглецевої зірки CW Льва (IRC +10216).

вуглецеві зірки були вперше виявлені в 60-х роках дев'ятнадцятого століття Вільям Гаґґінс і Анджело Сеччі. Це екстремально червоні зірки. Відмітна особливість спектра вуглецевих зірок - домінування спектральних смуг вуглецевих з'єднань і відсутність смуг від оксидів, таких як TiO і Н2О, які характерні для інших типів холодних зірок через те, що в їх атмосферах більше вуглецю, ніж кисню. Якщо в атмосфері більше вуглецю, ніж кисню, то кисень в основному зв'язується з вуглецем в формі окису вуглецю (CO), так як молекула має високу енергію зв'язку (11 еВ). Як результат, в таких зоряних атмосферах залишається мало кисню для формування інших оксидів, а атоми вуглецю доступні для освіти інших сполук вуглецю. У нормальних зірках, таких, як Сонце, атмосфера містить більше кисню, ніж вуглецю, і тому спостерігається зворотна картина: вуглець молекул, крім СО, в них мало.

Ще в 1950-ті роки було показано, що старі зірки, червоні гіганти, що лежать на асимптотической галузі і до яких належать вуглецеві зірки, грають важливу роль в процесах нуклеосинтеза . Наприклад, вважається, що важкі елементи, а також азот і вуглець, утворюються в цих зірках і потім викидаються в міжзоряне середовище. Але деталі цих процесів залишаються досі неясними.

Малюнок 1. Телескоп "Гершель" дозволяє побачити холодну Всесвіт, яку не можна було спостерігати за допомогою земних телескопів і попередніх космічних місій. Інфрачервоне випромінювання проникає через пил і газ, які приховують об'єкти в оптичному діапазоні, такі як області зореутворення, холодні зірки, центи галактик, планетарні системи. (Зображення: ESA, AOES Medialab); довідкова інформація: Hubble Space Telescope, NASA / ESA / STScI).

Тому є всі підстави для вивчення вуглецевих зірок. CW Льва має масу порядку маси Сонця, але набагато старше і набагато більше. Це червоний гігант, розташований на відстані в 500 світлових років, якщо його помістити на місце Сонця, то межа його досягне орбіти Марса. Зірка IRC +10216 - візуально слабкий, розширюється об'єкт, але найяскравіший джерело за межами Сонячної системи на довжинах хвиль більше 5 мікрон. Радіоспостереження показали, що оптично товста, пилова оболонка, яка оточує зірку, багата на різноманітні складними молекулами. Більше ніж 70 молекул вже було виявлено там до польоту "Гершеля". Фактично, близько 50% всіх молекул, які спостерігалися в космосі, були виявлені в цьому об'єкті.

Малюнок 2. На цьому інфрачервоному зображенні, отриманому за допомогою телескопа ESA "Гершель", показана зірка CW Льва (IRC +10216), оточена великою оболонкою гарячої водяної пари. Дуга, видима ліворуч, представляє собою ударну хвилю, де зоряний вітер стикається з міжзоряним середовищем. Зображення отримано в 3-х діапазонах інфрачервоного спектра з використанням інструментів PACS і SPIRE. Синій колір показує випромінювання на довжині хвилі 160 мікрон, зелений - 250 мікрон, червоний - 350 мікрон. (Зображення: ESA / PACS / SPIRE / MESS Consortia).

Виявлення за допомогою субміліметрового супутника SWAS в 2001 році водяної пари в оболонці IRC +10216 (а це характеристика кисневих зірок) було досить несподівано. За спостережуваних властивостей лінії (а вона відповідала основним станом молекули води з температурою в 61 Кельвіна), можна було припустити, що водяна пара знаходиться в зовнішніх холодних областях газової оболонки зірки. Можливий варіант утворення води: пар виникає через випаровування крижаних тіл, таких, як комети або малі планети, що обертаються навколо зірки. Іншого більш підходящого механізму освіти запропоновано не було.

У листопаді 2009 року команда вчених на чолі з Лін Дечин (Leen Decin) з Католицького університету Левена в Бельгії, провела спостереження за допомогою спектрометрів SPIRE і PACS , Встановлених на телескопі "Гершель", в діапазон довжин хвиль від 55 до 670 мікрон. Завдяки високій чутливості "Гершеля" і спектральному дозволу апаратури, вдалося визначити більше 60 ліній води, що відповідає цілому ряду енергетичних рівнів молекули води, і багато хто з них є лініями високого збудження, і якщо порушення має теплову природу, то це означає, що температура газу , в якому утворюються лінії, має температуру близько 1000 Кельвіна. Тобто результати вказують на те, що гарячий водяний пар знаходиться у внутрішніх областях зоряної оболонки.

Малюнок 3. Ілюстрація хімічних реакція, викликаних ультрафіолетовим випромінюванням, що взаємодіє з молекулами в оболонці зірки CW Leonis (IRC +10216). (Зображення: ESA, L. Decin et al. (2010)).

Інтенсивність виявлених ліній також йде врозріз з гіпотезою про те, що наявність водяної пари у внутрішніх областях оболонки пов'язано з ударними хвилями, які індуковані пульсаціями зірки, і створюють умови для нетеплового рівноваги, необхідні для утворення води в газі, багатому вуглецем. Автори припустили, що нетепловое рівновагу є результатом проникнення ультрафіолетових фотонів у внутрішні області оболонки, можливо, від зірки, але більш імовірно, з міжзоряного простору. Але щоб ця гіпотеза працювала, потрібна велика неоднорідність оболонки, її клочковатость - так, щоб ультрафіолетове випромінювання могло проникати в її внутрішні шари, тому що однорідна оболонка служитиме своєрідним щитом від радіації для внутрішніх шарів. На малюнку 3. показані деякі хімічні процеси, які можуть відбуватися в оболонці багатих вуглецем червоних гігантів. Ультрафіолетові фотони припадають крізь неоднорідну атмосферу і викликають безліч хімічних реакцій, що призводять до звільнення кисню з окису вуглецю CO і окису кремнію SiO, який бере участь у виробництві парів води Н2О. Водяна пара з температурою близько 1000 К може утворюватися тільки поблизу зірки, на відстані менше 5 радіусів від неї, тому що на більшій відстані таких температур бути не може: на відстанях до 100 радіусів зірки температура падає до 100 К, а в розрідженій, зовнішній оболонці на відстанях до 20 000 радіусів зірки температурах становить близько 10 К.

Нові дані телескопа "Гершель" поставили питання про перегляд наших поточних знань про хімічні процеси, що відбуваються в оболонках старих зірок, а також звертають увагу на важливість фотохімічних реакцій, індукованих УФ-фотонами. Аналогічним процесом можна, наприклад, пояснити також і зворотну ситуацію, а саме - наявність багатих вуглецем молекул, які спостерігаються в зірках асимптотической галузі гігантів з оболонками, в які домінує кисень.

Якими б не були пояснення походження гарячою водою в IRC +10216, нова робота показує, що наше розуміння природи таких зірок все ще перебуває в зародковому стані. Це є незадовільним, тому що ми - і всі відомі форми життя - є результатом процесів, які відбувалися і відбуваються в таких зірках.

У найближчі місяці за допомогою телескопа "Гершель" будуть проводитися спостереження інших вуглецевих зірок, з тим щоб перевірити справедливість запропонованого механізму утворення водяної пари.

Результати опубліковані в журналі Nature (2010, v.467, p.64).