В активной молодой галактике на расстоянии 0,5 миллиарда световых лет при помощи наземного телескопа-интерферометра в миллиметровом спектральном диапазоне удалось обнаружить следы молекулярного кислорода. Ранее кислород в виде молекул в составе облаков межзвёздного газа за пределами Солнечной системы находили только в двух ближних туманностях в нашей Галактике.
Кроме объектов Солнечной системы и её окрестностей, молекулы кислорода в холодном межзвёздном газе, не диссоциированные на отдельные атомы, сравнительно недавно удалось открыть только в двух местах: известной туманности Ориона — объекте, находящемся в нашей Галактике достаточно близко (рукав Ориона — это один из «ближних» рукавов Млечного Пути), а также в тёмной туманности в созвездии Змееносца. Туманность Ориона хорошо изучена и известна как область активного звёздообразования, для которого необходима среда с относительно холодным газом (вещество в горячем газе перемещается слишком быстро, что препятствует его собиранию под действием гравитации с последующим гравитационным коллапсом и включением термоядерных реакций — а это стандартный механизм зарождения новых звёзд). Предполагалось, что кислород в таких облаках связан с водородом в молекулы воды, которая в состоянии льда прилипает к пылевым частицам. Излучение от свежеобразованных звёзд поблизости способствует разложению воды, благодаря чему в этих областях может обнаруживаться кислород именно в молекулярной форме. Однако раньше считалось, что в связи с этим и другими механизмами молекулы O2 должны повсеместно встречаться в межзвёздных облаках и быть третьей по распространённости молекулой после водорода H2 и монооксида углерода CO. В 1998 году NASA даже запустило спутник, нацеленный на исследование состава молекулярных облаков. Поэтому удивление вызвало не обнаружение молекулярного кислорода в этих туманностях, а то, что его пока удалось найти всего в двух точках в Галактике, оба раза при помощи космических телескопов. Тем более интересно это открытие молекул O2 в межзвёздной среде удалённой галактики при помощи наземных радиотелескопов. Статья группы исследователей из Китая вышла в феврале в Astrophysical Journal.
Атомы внутри молекул связаны между собой значительно слабее, чем электроны в пределах одного атома. Это означает прежде всего, что газ из молекул в межзвёздном пространстве существенно холоднее атомарного газа. С точки зрения инструментальной астрофизики здесь важно, что частоты излучения (переходы между молекулярными уровнями) значительно ниже, чем характерные частоты спектра, вызванные переходами электронов между уровнями в отдельных атомах. Так, для газов из отдельных атомов характерные длины волн (атомные спектры) лежат в видимом и ультрафиолетовом диапазоне. Наблюдая межзвёздную среду или планетарную атмосферу в этом диапазоне, мы можем сделать заключение о наличии самих химических элементов — водорода, кислорода и т. д. Для обнаружения именно молекулярного газа необходимо использовать дальний инфракрасный и субмиллиметровый участки спектра. Телескопы, работающие в видимом и миллиметровом диапазоне — принципиально разные устройства с разными условиями предпочтительного размещения, и часто они могут даже не присутствовать вместе в одной обсерватории: миллиметровые инструменты — это фактически радиоантенны. Более того, все эти газы находятся в атмосфере Земли, поэтому использование наземных телескопов для исследования состава газа внеземных объектов — нетривиальная задача по выделению нужного сигнала и устранению земного фона. Космические телескопы в этом отношении являются более предпочтительными. Однако кислородные облака на краю удалённой галактики сейчас удалось выявить при помощи наземных инструментов: 30-метровый радиотелескоп Европейской радиообсерватории IRAM находится в высокогорье Испании, а радиоинтерферометр NOEMA той же обсерватории — во французских Альпах. При этом для выделения спектра именно от дальнего космического объекта можно использовать его красное смещение — сдвиг спектральных линий по сравнению с земными из-за быстрого движения объекта в силу эффекта Допплера. Такой же приём использовался ранее при исследовании атмосферы Марса наземными телескопами, в частности, открытии в ней молекул воды и кислорода. Для Марса также использовалось смещение спектра, но за счёт собственного движения планеты вокруг Солнца; разумеется, характерные скорости и сдвиг линий при этом значительно ниже по сравнению с межгалактическими скоростями.
Галактика с активным ядром и ярко проявляющаяся в нескольких спектральных диапазонах, относится к классу «галактик Маркаряна» и носит обозначение QSO Mrk 231 (QSO — Quasi Stellar Object). Это один из множества подтипов активных галактик, ядра которых характеризуются избытком ультрафиолетового излучения в спектре, связанным с наличием массивных звёзд (классы O и A). Галактика находится на расстоянии в 580 миллионов световых лет в Большой Медведице и отличается интенсивным звёздоформированием — примерно 200 солнечных масс в год (в нашей Галактике Млечного Пути скорость образования новых звёзд всего 1-2 солнечные массы в год). Тон в этой галактике задаёт квазар — яркий источник радиоволн, образующийся в результате взаимодействия сверхмассивной чёрной дыры с окружением на ранних стадиях развития галактики. В данном случае это ещё и самый близкий к нам такой объект. По мнению исследователей, галактика может содержать даже две сверхмассивные чёрные дыры в центре, вращающиеся с большой скоростью относительно друг друга.
Источник молекулярного кислорода в галактике Mrk 231 находится на расстоянии 10 килопарсек от её центра — примерно на таком же расстоянии находится Солнечная система от центра нашей собственной Галактики. Это достаточно удалённые от центра окрестности, однако присутствие активного ядра вызывает постоянный переток молекулярного вещества с большими скоростями и образованием множества ударных волн. Прохождение ударной волны — это механизм, который, как считается, объясняет появление молекулярного кислорода и в туманности Ориона рядом с нами, поэтому объекты с активным галактическим ядром — предпочтительные кандидаты для поиска молекулярного кислорода за пределами Млечного Пути. Ранее в этой же галактике по спектрам миллиметрового диапазона были обнаружены и другие молекулярные газы, в частности, уже привычный в таких облаках монооксид углерода.
Кислород в межзвёздной среде активной галактики, как и CO, является маркером, который позволяет отследить движение газовых потоков под действием активного ядра галактики. С другой стороны, молекулярный кислород может выступать в качестве охлаждающей среды для других газов, тем самым способствуя созданию подходящей обстановки для интенсивного формирования новых звёзд. Из-за его реактивности поиск молекулярного кислорода в межзвёздной среде оказался более нетривиальной задачей по сравнению с обнаружением других характерных газов, однако он является важным элементом межзвёздной среды, позволяющим изучить эволюцию галактик.
