Как рекуррентная флуоресценция помогает органическим молекулам выживать в экстремальных условиях космоса

Используя беспрецедентную чувствительность космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), международная группа исследователей изучила, как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) — ключевые органические молекулы в космической химии — выживают в суровых условиях межзвездного пространства.

ПАУ обнаружены в холодных молекулярных облаках, где они подвергаются постоянной бомбардировке высокоэнергетическим ультрафиолетовым излучением и космическими лучами. Эти воздействия должны разрушать молекулы, но они остаются нетронутыми.

Новое исследование, опубликованное в Physical Review Letters, показывает, что закрытооболочечные ПАУ, такие как инденильный катион (C₉H₇⁺), используют неожиданную стратегию выживания: вместо фрагментации они эффективно рассеивают избыточную энергию с помощью рекуррентной флуоресценции и инфракрасного излучения. Этот механизм позволяет им сопротивляться экстремальным условиям космоса гораздо эффективнее, чем считалось ранее.

ПАУ широко распространены в межзвездном пространстве и являются одним из крупнейших резервуаров углерода в галактике, содержа до 10–25% этого элемента, необходимого для жизни. Их уникальные инфракрасные сигнатуры обнаруживаются методами радио- и инфракрасной астрономии.

Высокочувствительные данные JWST и более ранние наблюдения телескопа «Спитцер» подтвердили повсеместное присутствие ПАУ. Закрытооболочечные ПАУ обнаружены в темных межзвездных облаках, а их ионизированные формы ожидаются в более ярких, звездообразующих регионах.

Ранее лабораторные эксперименты показали, что радикальные катионы открытооболочечных ПАУ охлаждаются за счет рекуррентной флуоресценции. Однако это явление не изучалось для нейтральных закрытооболочечных ПАУ, которые наблюдаются с помощью JWST.

В данном исследовании ученые сфокусировались на инденильном катионе (C₉H₇⁺). Холодные межзвездные условия были смоделированы с помощью электростатического ионно-лучевого накопительного кольца DESIREE в Стокгольме, которое может хранить ионы часами при криогенных температурах (~13 K) и сверхнизком давлении. Ионы C₉H₇⁺ в кольце были внутренне возбуждены для имитации условий после энергетических столкновений.

Исследователи наблюдали, как ионы теряют энергию — путем фрагментации или радиационного охлаждения. Собранные данные были проанализированы с использованием уравнения мастер-модели (теоретическое моделирование) и Ab initio молекулярной динамики (вычислительная химия).

Результаты показали, что инденильный катион эффективно охлаждался за счет комбинации ИК-излучения и, особенно, рекуррентной флуоресценции, даже начиная с колебательных энергий до 5.85 эВ, что значительно превышает его порог диссоциации. Рекуррентная флуоресценция оказалась доминирующим механизмом охлаждения при высоких внутренних энергиях, намного эффективнее, чем одно только ИК-излучение. Экспериментальные данные хорошо согласовались с моделью уравнения мастер только тогда, когда в модель включали рекуррентную флуоресценцию.

Эти выводы помогают объяснить, почему закрытооболочечные ПАУ в космосе более распространены, чем ожидалось, что важно для улучшения моделей межзвездной химии.