В космосе обнаружена очередная сложная органическая молекула

Знание – силаНаука

Органический синтез в молекулярных облаках

Дмитрий Вибе

Понятие органической химии и органических соединений возникло в начале XIX века и было призвано выделить химические процессы и вещества, задействованные в функционировании живых организмов. Уже в 1820‑е годы стало ясно, что никакой принципиальной разницы между органической и неорганической химией нет и органические соединения вовсе не обязательно имеют биологическое происхождение. Однако понятие органики и по сей день наделено неким смутным обещанием жизни и привлекает к себе связанное с этим особое внимание.

Новости о том, что в космосе обнаружена очередная сложная органическая молекула, кажутся следующим шагом на пути к обнаружению внеземной жизни, однако нужно понимать, что сложность здесь далеко не та, что встречается в биологии. В астрохимии сложными называют органические молекулы, содержащие шесть или более атомов.

Первой космической органической молекулой стал формальдегид (H2CO), обнаруженный в 1969 году. Буквально на следующий год была обнаружена первая сложная органическая молекула – метанол (CH3OH). Сейчас количество известных межзвездных и околозвездных молекул стремительно близится к трем сотням, и значительная их часть относится к органическим и сложным органическим соединениям. Среди известных межзвездных органических молекул самыми большими являются молекулы цианонафталина (C10H7CN), состоящие из 19 атомов – два бензольных кольца, у которых один атом водорода замещен группой CN.

Понятно, что расширение списка за счет еще более крупных молекул будет более медленным, чем раньше. Это связано с проблемами их детектирования. Молекулы, как и атомы, обнаруживаются по наблюдениям соответствующих спектральных линий (как в излучении, так и в поглощении). Молекулярные линии наблюдаются в широчайшем спектральном диапазоне, начиная от ультрафиолета и заканчивая сантиметровыми волнами. Однако массивные, то есть многоатомные молекулы, детектируются практически исключительно в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. В качестве инструмента для поиска новых молекул убедительно лидирует 30‑метровый телескоп миллиметрового диапазона IRAM, установленный в Испании. В последнее время с ним начинает конкурировать недавно обновленный 40‑метровый телескоп Yebes, также расположенный в Испании. Важный вклад вносит 100‑метровый телескоп обсерватории Грин-Бэнк в США.

Телескоп IRAM
Телескоп обсерватории Грин-Бэнк

Несмотря на совершенствование наблюдательной техники, мы по-прежнему открываем в основном простые двух-трехатомные соединения. Темп открытия более крупных молекул существенно ниже. Наряду с цианонафталином обнаруживаются и другие циклические и ветвящиеся молекулы. Неоднократно сообщалось об открытии в молекулярных облаках простейшей аминокислоты – глицина, однако всякий раз за этими сообщениями следовали опровержения. В 2023 году появилась публикация об обнаружении спектральных признаков существенно более сложной аминокислоты – триптофана, но и она затем была оспорена.

Проблема в том, что чем сложнее молекула, тем сложнее ее идентифицировать. Вообще для выявления молекул в межзвездной среде используется тот же метод спектрального анализа, что и для звезд. Но в звездах главным образом наблюдаются линии, связанные с электронными переходами, то есть с изменением энергии движения электронов вокруг атомных ядер. Они попадают в основном в ультрафиолетовый и видимый диапазоны. А в молекулах возможны не только движения электронов, но и движения атомов друг относительно друга. Молекулы могут, например, колебаться и вращаться. Каждое из этих движений тоже квантовано: энергии, связанные с колебаниями и вращениями (или с более сложными движениями), могут принимать строго определенный набор значений, индивидуальный для каждой молекулы. Переходя из одного энергетического состояния в другое, молекула поглощает или излучает фотон с определенной энергией, порождая спектральную линию. Энергетика этих переходов не так значительна, как в случае электронных переходов, поэтому линии, связанные с колебательными переходами, попадают, как правило, в ближний инфракрасный диапазон, а линии, связанные с вращательными переходами, в субмиллиметровый и радиодиапазон.

Чем сложнее молекула, тем более многочисленные движения в ней могут происходить и, соответственно, тем больше она порождает линий. Но, поскольку общая энергия, доступная для «раскачки» структуры, одна и та же и для маленьких, и для больших молекул, у последних линии оказываются гораздо более слабыми, что затрудняет их детектирование. Чтобы увидеть эти линии, нужно накопить больше фотонов – задача, требующая большого телескопа и (или) длительных наблюдений. Есть и другие проблемы. Спектр одной сложной молекулы похож на расческу с тесно посаженными зубьями разной длины. Но в молекулярном облаке помимо этой молекулы есть и другие, поэтому в реальном спектре мы наблюдаем наложение друг на друга разных «расчесок», и нам нужно не только зафиксировать линии одной молекулы, но и отделить их от таких же многочисленных и слабых линий других молекул. Добавим в эту картину еще и изотопологи, то есть молекулы, в которых один или несколько атомов основного изотопа химического элемента замещены атомами его неосновного изотопа. Например, обычный водород (протий) может быть замещен дейтерием, углерод‑12 – углеродом‑13 и т. п. Спектры изотопологов несколько отличаются от спектров «основных» молекул и вносят в наблюдаемую картину свою долю путаницы.

Списки линий известны для ограниченного количества молекул. Определение длин волн и интенсивностей возможных переходов в молекуле требует сложных вычислений или экспериментов, при этом нужно заранее предугадать, какая конструкция из атомов окажется интересной с астрохимической точки зрения! Повышение спектрального разрешения и чувствительности телескопов только усугубляет эту проблему. Например, в спектре туманности NGC 6334 (Скорпион), полученном на космическом телескопе Гершель1, доля неидентифицированных линий составляла всего 10%. На том же участке спектра, измеренном с более высокой чувствительностью на телескопе ALMA2, неизвестными оказались уже 70% линий.

1Телескоп «Гершель» – первая космическая обсерватория для полномасштабного изучения субмиллиметрового излучения в космосе. Работал с 2009 по 2013 год.

2Atacama Large Millimeter Array – комплекс радиотелескопов, расположенный в чилийской пустыне Атакама, который наблюдает электромагнитное излучение с миллиметровой и субмиллиметровой длиной волны.

Теперь о том, как рождается наблюдаемое разнообразие. Если мы просто возьмем атом водорода и атом углерода, они не начнут сами собой объединяться в более сложные молекулы. Сейчас лидирующее объяснение состоит в том, что для инициирования химических процессов в молекулярных облаках их вещество нужно немного ионизовать, потому что реакции между ионизованным и нейтральным реагентом идут гораздо быстрее, чем реакции между двумя нейтральными реагентами.

В 1973 году была предложена следующая картина: допустим, на какойто ранней фазе эволюции молекулярного облака в нем присутствуют нейтральные атомы и молекула H2. Космические лучи начинают ионизовать примесные атомы и молекулу водорода. Ион H2+ быстро реагирует еще с одной молекулой H2 и превращается в ион H3+. Дальше реализуется общая схема, которую лучше показать на примере кислорода. Либо в результате реакции между ионом О+ и молекулой H2, либо в результате реакции нейтрального атома О с ионом H3+ образуется ион OH+. Последовательные реакции с молекулой H2 приводят к формированию ионов H2O+ и H3O+. Ион H3O+ рекомбинирует с электроном, разваливаясь на молекулу воды и атом водорода или на радикал OH (гидроксил) и молекулу H2. Поскольку рекомбинация молекулярного иона, как правило, приводит не только к его нейтрализации, но и к развалу, она называется диссоциативной рекомбинацией.

Изначально предполагалось, что что-то похожее происходит и с углеродом, постепенно превращая его в метан, но все оказалось сложнее. Реакция иона углерода с молекулой H

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Белые эмигранты Белые эмигранты

Не все в жизни белых медведей складывается гладко

Вокруг света
Как вырастить... джонджоли Как вырастить... джонджоли

Клекачки можно вырастить на участке и приготовлять джонджоли по своему вкусу

Наука и жизнь
ЧВК «Рюрик» ЧВК «Рюрик»

Около 838 года в поле зрения Византии попали люди, называвших себя русами

Дилетант
«Вы просто не математики» «Вы просто не математики»

Ирина Манторова — о заработке на неэффективностях рынка и о психологии трейдеров

Монокль
Весна длиною в полгода Весна длиною в полгода

Воспоминания, как август 1968-го окончательно положил конец «оттепели»

Дилетант
Как появился ярлык Made in China. Отрывок из книги Как появился ярлык Made in China. Отрывок из книги

Как появился ярлык Made in China, что он значит для производителей и покупателей

СНОБ
Правильный холодец Правильный холодец

Холодец: как выбрать продукты и приготовить легендарное русское блюдо

Добрые советы
Найти опору в теле Найти опору в теле

Как с помощью тела сохранить спокойствие и устойчивость

Psychologies
Мужчины и женщины, страдающие алкоголизмом, нуждаются в разном лечении Мужчины и женщины, страдающие алкоголизмом, нуждаются в разном лечении

Алкоголизм связан с гормонами и белками, которые отличаются у мужчин и женщин

ТехИнсайдер
Jetour: как новая марка смогла быстро выйти в лидеры Jetour: как новая марка смогла быстро выйти в лидеры

Эксперты объяснили успех Jetour в России широким выбором в популярном сегменте

РБК
Полный «Каос»: почему сериал Netflix о богах на Олимпе называют лучшим проектом года Полный «Каос»: почему сериал Netflix о богах на Олимпе называют лучшим проектом года

«Каос»: сатирический сериал о тирании и пьянящем всемогуществе

Forbes
Дом как вдохновение Дом как вдохновение

Трехэтажный загородный дом в живописном месте на западе Москвы

SALON-Interior
14 октября в Киришах 14 октября в Киришах

Больше двух лет я работал на этой стройке диспетчером СМУ-58 стройтреста 46...

Дилетант
Инвестиции на автомате Инвестиции на автомате

Как устроены робоэдвайзеры и кому они нужны

Деньги
Мамина гордость: как властная мать почти разрушила карьеру звезды сборной Франции Мамина гордость: как властная мать почти разрушила карьеру звезды сборной Франции

Как родственные связи могут погубить карьеру звездного спортсмена Рабьо

Forbes
Управляющий партнер фонда «ТилТех Капитал» — о том, как угодить инвестору Управляющий партнер фонда «ТилТех Капитал» — о том, как угодить инвестору

Есть ли что-то общее у бизнеса и науки?

РБК
Атомная энергетика покажет взрывной рост Атомная энергетика покажет взрывной рост

Россия отклоняется от мирового тренда в пользу атомной энергии

Монокль
Из Древней Руси – в космос Из Древней Руси – в космос

Захватывающее дух путешествие по страницам истории на Спасской земле

Отдых в России
«Холли»: драма о девочке со сверхспособностями, одиночестве и жажде признания «Холли»: драма о девочке со сверхспособностями, одиночестве и жажде признания

«Холли» — нетривиальная драма взросления с мистическим уклоном

Forbes
Курс на Канны Курс на Канны

Составляем список обязательных к посещению стендов на Cannes Yachting Festival

Y Magazine
Как архитектор Олег Карлсон оказался спасителем артхаусного театра в Москве Как архитектор Олег Карлсон оказался спасителем артхаусного театра в Москве

«От барака до барокко»: как архитектор Олег Карлсон преобразовал театр

Forbes
5 книг с героями, которые идут наперекор принятым правилам 5 книг с героями, которые идут наперекор принятым правилам

Мун, Гармус, Попова: 5 книг с вдохновляющими главными героями

СНОБ
«Мама, ты ломаешь меня»: с чего начинается травма детства «Мама, ты ломаешь меня»: с чего начинается травма детства

Как формируется детская травма и за что несут ответственность родители?

Psychologies
Чудеса системы Сатурна: жизнь на Титане? Чудеса системы Сатурна: жизнь на Титане?

Почему на Титане можно представить только неземлеподобную жизнь?

Наука и техника
«Комната по соседству» в Венеции: как живой классик Альмодовар осмысляет тему смерти «Комната по соседству» в Венеции: как живой классик Альмодовар осмысляет тему смерти

Почему «Комнату» классика Педро Альмодовара определенно стоит смотреть?

Forbes
Ушла за цветами для мамы и пропала без вести: загадочное дело Марджори Уэст Ушла за цветами для мамы и пропала без вести: загадочное дело Марджори Уэст

Малышка по имени Марджори Уэст таинственно исчезла в лесах Пенсильвании

ТехИнсайдер
Генетики выделили ДНК из семи неандертальских зубов из пещеры Стайня Генетики выделили ДНК из семи неандертальских зубов из пещеры Стайня

С кем по материнской линии связаны неандертальцы из пещеры Стайня?

N+1
Андрей Шаповалов: К исследованию шаманизма меня привели духи Андрей Шаповалов: К исследованию шаманизма меня привели духи

Андрей Шаповалов о том, почему шаманские ритуалы не такие, как думают обыватели

СНОБ
Путешествие на автомобиле. Полезные советы Путешествие на автомобиле. Полезные советы

Как подготовиться к путешествию на авто так, чтобы не разочароваться в поездке?

4x4 Club
Небесная Европа Небесная Европа

Возможно, спутник Юпитера — место, где есть, пусть и самая примитивная, жизнь?

Знание – сила
Открыть в приложении