Záhada chybějící síry ve vesmíru se blíží k rozluštění: Nový model odhaluje skrytou chemii v ledových mracích

Vědci se po desetiletí potýkají s takzvaným „problémem chybějící síry“ ve vesmíru. Zatímco v difúzních mezihvězdných mracích je síra hojně zastoupena v očekávaném množství, v hustých a chladných molekulárních mracích, kde se rodí hvězdy, se zdá, že 99 % síry chybí.

Vědci se po desetiletí potýkají s takzvaným „problémem chybějící síry“ ve vesmíru. Zatímco v difúzních mezihvězdných mracích je síra hojně zastoupena v očekávaném množství, v hustých a chladných molekulárních mracích, kde se rodí hvězdy, se zdá, že 99 % síry chybí. Přední teorie naznačuje, že se tento prvek skrývá v ledových prachových zrnech, což ztěžuje jeho detekci.

Nový výzkum publikovaný v časopise Astronomy & Astrophysics, který provedli vědci z Max Planckova institutu pro mimozemskou fyziku a Centra pro astrobiologii, představuje nový počítačový simulační model. Jeho cílem je podpořit interpretaci laboratorních výsledků a prověřit naše současné chápání vývoje síry v mezihvězdných ledech. Simulace byla vytvořena v aplikaci pyRate, která počítá interakce chemických látek, zejména mezi ledovou a plynnou fází. Jde o první úspěšný model chemie vícesložkového mezihvězdného ledového analogu s simulací založenou na rychlostních rovnicích.

Autoři se zaměřili na simulaci výsledků konkrétního laboratorního experimentu se sírou z roku 2024. Během něj byla směs oxidu uhličitého (CO2) a sirouhlíku (CS2) ochlazena na 10 K a poté ozářena vakuovými ultrafialovými (VUV) fotony. Tento proces rozložil molekuly a vytvořil směs nových sloučenin obsahujících síru, jako je oxid siřičitý, sulfid karbonylu a dokonce i čisté řetězce síry. Kriticky, významné množství síry z experimentu „zmizelo“, pravděpodobně se uzamklo v dlouhých řetězcích síry, které byly pro použité přístroje neviditelné.

Simulace tohoto experimentu přinesla několik zajímavých průlomů. První se týkal pohybu molekul. Většina astrochemiků předpokládá, že se molekuly pohybují tepelnou difúzí – putují po povrchu, dokud nenarazí na jinou molekulu. Když však tým spustil simulaci pouze se standardní difúzí, reakce, která produkovala takové množství sloučenin síry, se zastavila. Klíčem k úspěšnému průběhu reakce bylo umožnění „nedifúzní chemie“, kde atomy mohou interagovat se svými sousedy ihned po oddělení od své hostitelské molekuly, pravděpodobně proto, že teplota 10 K neposkytuje dostatečný tepelný impuls.

Další průlom spočíval v pochopení, jak hluboko může VUV foton proniknout do vrstvy ledu. Ukázalo se, že odpověď je asi 100 „monovrstev“, tedy jednotlivých vrstev ledových molekul. Tento poznatek může být přidán do budoucích iterací astochemických kódů, jelikož se o schopnosti VUV fotonů pronikat hluboko do ledových formací vedly debaty.

Mezi simulací a skutečnými experimentálními daty z roku 2024 však existovaly určité nesrovnalosti. Experimentálně byla hlavní sloučeninou oxid siřičitý spolu s vysokými hladinami sírových alotropů. Simulace však předpovídala nízké množství obou molekul. Navíc simulace předpovídala vysoké koncentrace sulfidu karbonylu, oxidu uhelnatého a monosulfidu uhlíku. I když tyto látky nebyly původně hlášeny, další analýza infračervených spekter odhalila, že experimentální data jsou ve skutečnosti kompatibilní s přítomností některých molekul monosulfidu uhlíku a oxidu uhelnatého, jelikož jejich chemické signatury byly pravděpodobně zastíněny překryvem s dominantními znaky oxidu siřičitého.