Межзвёздный объект 3I/ATLAS, открытый в июле 2025 года, привлёк внимание крупнейших обсерваторий мира. Наблюдения показали необычное соотношение изотопов в его составе. Новая работа Кэндзи Фуруи из Института пионерских исследований RIKEN в Японии и его соавторов, направленная в The Astrophysical Journal Letters и доступная в виде препринта на arXiv, объясняет это расхождение низким содержанием металлов в звёздных яслях, где сформировался объект.
В астрономии металлами называют любые элементы тяжелее гелия, которые образуются только при взрывах сверхновых после гибели первых звёзд. Со временем Вселенная становится всё более «металлической» по мере новых вспышек сверхновых. Часть этого вещества — углерод, важный для органической химии и присутствующий в 3I/ATLAS. Соотношение изотопов углерода C-12 и C-13 в объектах Солнечной системы составляет около 90, в межзвёздной среде — в среднем 68. У 3I/ATLAS этот показатель оказался между 123 и 191, что значительно выше, чем где-либо на его пути за последние миллиарды лет.
Ещё одна аномалия — изотопный состав воды. Тяжёлая форма водорода, дейтерий, содержит дополнительный нейтрон. Доля дейтерия по отношению к обычному водороду в воде 3I/ATLAS составила около 1%. Для типичной кометы Солнечной системы этот показатель равен 0,015–0,03%, то есть межзвёздный гость несёт гораздо больше «тяжёлой воды». Учёные давно связывают высокое соотношение C-12/C-13 с формированием в среде, бедной металлами. Согласно новой работе, тот же механизм объясняет и повышенное содержание дейтерия. Для проверки исследователи смоделировали полный жизненный цикл водяного льда — от образования в межзвёздном облаке до коллапса в газ и пыль, из которых впоследствии рождается звезда. Особое внимание уделили этапу, происходящему в глубинах межзвёздного пространства.
В пустоте межзвёздный газ нагрет лишь до примерно 10 кельвинов (-263°C), чего слишком мало для обычных химических реакций. Одной из таких реакций является обогащение дейтерием, или «дейтериевое фракционирование». Оно запускается космическими лучами, которые, сталкиваясь с газом, образуют трёхатомный ион водорода H3+. Тот иногда взаимодействует с молекулой дейтерированного водорода HD, порождая H2D+, обычный H2 и небольшой избыток энергии. При столь низкой температуре обратная реакция не идёт — не хватает энергии, чтобы вернуть H2D+ в нейтральную форму HD, и дейтерий оказывается «в ловушке» в менее устойчивом состоянии. Затем молекулы H2D+ под ударами электронов распадаются с образованием атомарного дейтерия, который, соединяясь с кислородом, даёт «тяжёлую» воду в концентрациях, превышающих ожидаемые для Солнечной системы.
По данным работы, всплеск дейтерия объясняется тремя факторами, связанными с низкой металличностью родительской среды. Во-первых, там меньше молекул монооксида углерода CO, которые разрушают H2D+, поэтому последний живёт дольше и успевает создать больше атомарного дейтерия. Во-вторых, отсутствует «водородный потоп»: в богатой металлами среде ультрафиолетовые фотоны разбивают воду на OH и H, и поток атомарного водорода разбавляет долю дейтерия, а в бедной среде такого разбавления почти нет. В-третьих, скорость ионизации космическими лучами относительно низка: при высокой энергии лучей хватает избыточной энергии, чтобы обратить реакцию и вернуть H2D+ в стабильную форму HD, снижая выход дейтерия. Меньшая энергия лучей означает меньше обратных превращений и сохранение высокого уровня дейтерия.
Для проверки авторы использовали другой распространённый кометный материал — метан. Ранее было установлено, что доля дейтерия в метане 3I/ATLAS составляет около 3%, что на порядок выше 0,2% у кометы 67P/Чурюмова — Герасименко. Однако соотношение дейтерия в метане и в воде у обоих объектов оказалось близким: 3,4 у 3I/ATLAS и 4,8 у 67P. Это означает, что при резком росте абсолютного дейтерирования в условиях низкой металличности относительная величина остаётся постоянной независимо от среды формирования кометы. Чем больше научных работ посвящено 3I/ATLAS, тем яснее, что этот гость позволил заглянуть в среду раннего этапа существования Солнечной системы. Сейчас объект уже вышел за пределы возможностей наблюдений, но каждый новый межзвёздный визитёр даёт шанс продолжить изучение истории нашей Галактики.