От недель к минутам
Новый алгоритм расшифровывает химию зарождающихся звезд
Ученые разработали программный пакет MOLLId, который автоматизирует распознавание молекулярных линий в спектрах горячих ядер молекулярных облаков — областей раннего звездообразования. Благодаря новому инструменту обработка данных, занимавшая недели ручного анализа, может выполняться за считаные минуты, что позволяет быстрее изучать химический состав и физическую структуру протозвезд. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Астрофизический бюллетень».
Фото: greg rakozy / unsplash.com
Фото: greg rakozy / unsplash.com
Физическая структура горячих ядер весьма неоднородна, однако для упрощения область, в которой образуется протозвезда, можно разделить по температуре и химическому составу. В этих областях доминирует излучение тех или иных молекул: чем ближе к протозвезде, тем температура выше и в спектре доминируют сложные (шесть и более атомов) молекулы. Это происходит из-за испарения сложных молекул из нагретых ледяных мантий межзвездных пылинок. В области, отдаленной от протозвезды, температура относительно ниже и в ней доминирует излучение простых двух-, трехатомных молекул.
Современные миллиметровые телескопы, оснащенные широкополосными приемниками, позволяют одновременно регистрировать сотни спектральных линий молекул. Следовательно, возникает проблема обработки спектров, богатых молекулярными линиями, так как процесс ручного отождествления и их обработки может занимать недели. Особенно остро стоит вопрос для отождествления слабых линий сложных предбиологических молекул.
Фото: Deharveng et. al / Astronomy & Astrophysics, 2009, Figuera et al. / Astronomy & Astrophysics, 2018.
Фото: Анастасия Фарафонтова
Фото: Анастасия Фарафонтова
Ученые Института астрономии РАН (Москва) совместно с сотрудниками Уральского федерального университета имени первого президента России Бориса Ельцина (Екатеринбург) разработали специализированный программный пакет для автоматического отождествления линий излучения молекул в спектрах, полученных на радиотелескопах. С помощью разработанной программы стало возможным за несколько минут отождествить сотни линий десятков молекул в спектрах. Анализ химического состава и физических условий позволил охарактеризовать стадию эволюции протозвезд.
В работе были использованы данные наблюдений для объектов, которые находятся на одной из наиболее ранних стадий звездообразования — в фазе горячего ядра.
Спектр, полученный из наблюдений, обрабатывается в MOLLId таким образом, что каждая спектральная линия в нем приближается гауссовым профилем для того, чтобы определить ее ширину, интенсивность и центральную частоту. Затем по центральным частотам для каждой спектральной линии программа MOLLId ищет молекулу-кандидата по спектроскопическим базам данных. Затем, используя специальные критерии, оценивает вероятность того, что та или иная молекула-кандидат вызывает появление линии. В результате ученые получают таблицу с частотами линий, названиями молекул и приступают к научному анализу — определению температуры межзвездного газа и содержания молекул.
Разработанный пакет MOLLId был протестирован на спектрах высокого разрешения, полученных на 12-метровом радиотелескопе APEX (Чили) в направлении на две протозвезды — RCW 120 S1 и S2. Авторы исследования всего за несколько минут отождествили сотни линий десятков молекул в спектрах.
Фото: Анастасия Фарафонтова
Фото: Farafontova et al. / Astrophysical Bulletin, 2025
В протозвезды RCW 120 S2, масса которой — 27 солнечных масс, ученые отождествили 407 линий, принадлежащих 79 различным молекулам. Они выявили широкое разнообразие молекул: от простых двухатомных молекул до сложных органических молекул с числом атомов до девяти. Последние широко используются людьми в хозяйстве. Например, диметиловый эфир (CH3OCH3) — это растворитель и экологически чистое топливо для газовой сварки. Наиболее распространенной молекулой среди всех оказалась молекула метанола (CH3OH), которая очень часто встречается в областях звездообразования. На Земле же этот простейший спирт широко применяется в промышленности, а для человека токсичен и вызывает слепоту.
В спектре протозвезды S2 научная группа впервые обнаружила и проанализировала высокоэнергетичные переходы молекул метанола и метилацетилена (CH3CN). Ученые оценили температуру вблизи протозвезды, которая в «горячем ядре» оказалась равной 100–200 K, что соответствует минус 170 — минус 70 градусов по Цельсию в шкале температур, привычной на Земле. Горячее ядро (которое по земным меркам совсем не горячее) окружено холодной оболочкой с температурой около 30–40 K (то есть около минус 230 градусов по Цельсию).
В спектре протозвезды RCW 120 S1 было найдено около 100 линий 40 различных молекул. Общее количество молекул, их разнообразие и интенсивность линий в S1 оказалось существенно меньше, чем в S2. Возможно, это связано с меньшей массой протозвезды или с более ранней стадией эволюции, меньшей температурой и, следовательно, более слабым прогревом мантий пылевых частиц.
«Благодаря высокочувствительным наблюдениям и автоматизированным методам анализа данных мы смогли перейти от описания, полученного в ранних работах по этому источнику, к более развернутому представлению о структуре источника и характеристике эволюционной стадии исследуемой области звездообразования. В перспективе методы, составляющие основу пакета MOLLId, могут быть дополнены алгоритмами машинного обучения. В дальнейшем мы планируем добавить в программу модуль для создания синтетических спектров, которые бы воспроизводили наблюдаемые данные. Это позволило бы не только отождествлять молекулы, но и сразу оценивать физические условия в источниках»,— рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Анастасия Фарафонтова, младший научный сотрудник Института астрономии РАН.