«Большая часть Вселенной состоит из водорода в той или иной форме, — говорит Людвик Адамочи, профессор химии и биохимии Аризонского университета. — Но ион H3+ — наиболее распространенный молекулярный ион в межзвездном пространстве. Также это одна из наиболее важных молекул в космосе».

Считается, что H3+ был крайне важным для формирования звезд в ранние дни вселенной, а также стал прекурсором многих видов химических реакций, в том числе тех, которые привели к возникновению воды или углерода, имеющих важное значение для жизни.

Как полагают, H3+ сыграл жизненно важную роль в охлаждении первых звезд во Вселенной и все еще играет важную роль в формировании современных звезд. Скромная молекула, более известная как трехатомный ион водорода, может хранить секреты формирования первых звезд после Большого Взрыва.

Под действием радиации, пронизывающей межзвездное пространство, H3+ может приобретать энергию, которая приведет к вибрации и потере его симметрии. В таком случае электроны распределены только по двум атомам водорода. Асимметрия приведет к тому, что молекула будет излучать свет и охлаждать образующиеся звезды.

Ранние звезды должны были разгораться все жарче и жарче, пока не взорвались бы еще до завершения процесса образования, по словам Мишеля Паванелло, если бы не было способа снять часть этой накопившейся энергии.

«Не было бы никакого звездообразования, если бы не было молекул, которые медленно охлаждали бы звезду, испуская свет, — говорит Паванелло. Не многие молекулы могут сделать это отчасти потому, что в первые дни мироздания было не так много молекул. — Астрономы полагают, что единственной молекулой, которая могла охладить формирующуюся звезду, в то время была именно H3+».

Другая молекула, молекулярный водород, тоже должна была присутствовать, но ей для охлаждения звезды понадобилось бы на порядок больше времени. Водород не особо любит излучать свет, в то время как H3+ может изгибаться и вибрировать, и при этом излучать свет».

H3+ представляет собой электрически заряженную молекулу, то есть ион. Он состоит из трех атомов водорода, из которых только два делят электроны между собой. Не имея отрицательно заряженного электрона, молекула приобретает плюс-один положительный заряд. H3+ треугольной формы, и когда возбуждается, начинает вибрировать различными способами.

«Нужно большое количество вычислений, чтобы предсказать эти вибрации на квантово-механическом уровне, — говорит Адамович. — Задача теории — в основном имитировать эти вибрации на компьютере, а затем описать, как молекула танцует, или вибрирует».

Понимание различных вибраций H3+ может помочь астрономам определить ее роль в образовании звезд во времена юной вселенной.

«В 90-х годах H3+ наблюдался вокруг звезд, — говорит Адамович. — Звезды излучают радиацию, которая не только способствует производству H3+, но и возбуждает молекулы до более высоких энергетических состояний. Молекула также может возбуждаться из-за остаточной энергии после химической реакции, в которую была вовлечена, или из-за столкновения с другими молекулами. В процессе спада возбуждения молекула излучает фотоны, которые были зафиксированы нашими радиотелескопами».

Это может происходить только с H3+, поскольку молекулярный водород слишком симметричен. Можно сделать вывод, что у H3+ была крайне важная функция охлаждения звезд в процессе образования после Большого Взрыва.

«Единственный способ, который поможет нам прогнозировать формирование звезд, — это точное знание охлаждающих способностей H3+. И мы не можем узнать об этих охлаждающих способностях все, пока не узнаем спектр вибраций молекулы. Нам нужно знать, каковы ее энергетические уровни».

В представленной работе ученые определили уровни энергии достаточно точно для того, чтобы можно было произвести точные прогнозы охлаждающих способностей H3+.

Группа не ставила перед собой задачу раскрыть секреты H3+, говорит Паванелло.

«Все произошло почти случайно. У нас в отделе масс-спектрометрии Аризонского университета был хороший друг, квантовый химик из Венгрии. Однажды он зашел и разговорился с Людвиком о возможности провести некоторые расчеты по H3+. В то время я только начал. Код, который я писал, был почти закончен, и мы решили, что H3+ будет хорошей системой для проверки этого кода».

Исследователи задали код на суперкомпьютере в Центре высокопроизводительных вычислений Университета Аризоны. Он описывал то, как H3+ вибрирует в зависимости от принципов квантовой механики. В зависимости от уровня приближений, выполненных с помощью кода, ученые смогли разработать программное обеспечение для хорошего описания движения малых молекул и приблизительного — для крупных молекул.

Результаты команды были подтверждены группами ученых из Венгрии, Франции, Лондона и России, а также учеными из Института Макса Планка в Гейдельберге, Германия, которые создали H3+ в лаборатории и убедились в том, что спектральные линии элемента соответствуют предсказанным.

Вклад команды позволил исследователям впервые обозначить спектральные лини H3+ в определенных видах вибрационных движений, когда ион испускает фотон в почти видимом диапазоне.

«Если вы наведете телескоп на небо, вы увидите спектральные линии, которые специфичны для определенной молекулы или атома, — говорит Паванелло. Различные молекулы испускают фотоны при различных длинах волн, что приводит к разным спектральным линиям, на основе которых астрономы определяют химический состав звезд. Но чем точнее становятся телескопы, тем больше спектральных линий мы видим».

Ученые находятся в токе, когда видят множество спектральных линий, которые могут идентифицировать, но не знают, что они означают. Зная уровень вибрации, а значит, и спектральные линии H3+, астрономы смогут отфильтровать спектральные линии в ходе наблюдения и продолжить идентификацию элементного состава объектов в космосе.

Также работа позволит ученым предсказать охлаждающие способности H3+ и создать возможный сценарий образования первых звезд после Большого Взрыва. Теперь в руках астрофизиков важный кусок головоломки, которая позволит составить модель формирования первых звезд.

Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.