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

Есть только МиГ Есть только МиГ

Все три года войны центральное место занимало противостояние ВВС СССР и США

Дилетант
«За мной придут ночью». Отрывок из книги Тахира Хамута «За мной придут ночью». Отрывок из книги Тахира Хамута

Отрывок из книги «За мной придут ночью» — о респрессиях по отношению к уйгурам

СНОБ
Первая вдова СССР Первая вдова СССР

Крупская занималась вопросами коммунистического воспитания и образования

Дилетант
Дмитрий Леонтьев: Subaru Outback. Как полюбить японца? Дмитрий Леонтьев: Subaru Outback. Как полюбить японца?

Subaru Outback: японский кроссовер с оппозитным мотором

4x4 Club
Кто остановит испанского слизня Кто остановит испанского слизня

Какие методы борьбы существуют против инвазивного вредителя — испанского слизня

Наука
Антикризисная программа Антикризисная программа

Кризис семейной жизни — дело житейское, но как к нему подготовиться?

Добрые советы
Куда поедут российские шрот и жом Куда поедут российские шрот и жом

Пошлины на импорт продукта в ЕС могут привести к профициту на внутреннем рынке

Агроинвестор
«Скажи «лыба»: как появился и почему растет бизнес логопедов «Скажи «лыба»: как появился и почему растет бизнес логопедов

Как развивается логопедический бизнес в России?

Forbes
Как перестать делать то, чего не хочется, в угоду другим: 4 шага Как перестать делать то, чего не хочется, в угоду другим: 4 шага

О том, как постоять за себя, рассказывает психотерапевт

Psychologies
«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
Получено экспериментальное подтверждение квантовой природы сознания Получено экспериментальное подтверждение квантовой природы сознания

Возможно, сознание связано с квантовыми процессами в микротрубочках нейронов

ТехИнсайдер
Ханты-Мансийск: мамонты и современное искусство Ханты-Мансийск: мамонты и современное искусство

В равнинах Западной Сибири, на слиянии Оби и Иртыша находится Ханты-Мансийск

Psychologies
Зайти в IT: зачем отраслевые компании выходят на рынок информтехнологий Зайти в IT: зачем отраслевые компании выходят на рынок информтехнологий

Зачем крупные отраслевые игроки решают коммерциализировать свои IT-решения?

Forbes
Зерновозы для страны Зерновозы для страны

Задача по увеличению объемов поставок сельхозпродукции за рубеж поставлена

Агроинвестор
Портрет неизвестного Портрет неизвестного

Кто решает, какое произведение искусства называть шедевром?

СНОБ
В химии всегда будет работать правило октета В химии всегда будет работать правило октета

Есть ли место идеям Менделеева в современной науке, живы ли они?

Наука и жизнь
Культ удовольствия Культ удовольствия

Гедонизм — это хорошо или плохо?

Добрые советы
Эксперименты на колесах: от передвижников до хоккейного роуд-шоу Эксперименты на колесах: от передвижников до хоккейного роуд-шоу

Как устроены «проекты на колесах», которые уже вошли в историю

Правила жизни
Вот что интересно узнать о пестрой и жужжащей птичке: 15 любопытных фактов о колибри Вот что интересно узнать о пестрой и жужжащей птичке: 15 любопытных фактов о колибри

Забавные колибри примечательны не только своими миниатюрными размерами!

ТехИнсайдер
Как музыкальный фестиваль Lilith Fair сломал стереотипы о женщинах на сцене Как музыкальный фестиваль Lilith Fair сломал стереотипы о женщинах на сцене

История фестиваля Lilith Fаir, который перевернул представление о женщинах

Forbes
«Это был последний шанс изменить жизнь» «Это был последний шанс изменить жизнь»

История о том, как жизнью человека управляли наркотики

Psychologies
Делиться, не владеть: как меняется рынок шеринга в России и в мире Делиться, не владеть: как меняется рынок шеринга в России и в мире

Почему рынок шеринга переживает бурный рост во всем мире?

ТехИнсайдер
Утро вечера на самом деле мудренее! Ученые выяснили, как сон влияет на решения Утро вечера на самом деле мудренее! Ученые выяснили, как сон влияет на решения

«Переспать с мыслью» действительно помогает делать более рациональный выбор

ТехИнсайдер
Товарищ Тело Товарищ Тело

«Субстанция»: еще один важный боди-хоррор

Weekend
От любви до ненависти и обратно От любви до ненависти и обратно

Советская интеллигенция возмутилась разносами, которые Хрущёв устроил художникам

Дилетант
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
«Субстанция»: безумный боди-хоррор с Деми Мур о страхах стареющей кинозвезды «Субстанция»: безумный боди-хоррор с Деми Мур о страхах стареющей кинозвезды

«Субстанция»: яростная просьба отстать от женщин и их внешности

Forbes
До выхода полчаса: как быстро высушить одежду, если она срочно нужна? До выхода полчаса: как быстро высушить одежду, если она срочно нужна?

Несколько действенных способов, как быстро высушить вещи

ТехИнсайдер
Как гинеколог Тавхида бен Шейх делала медицину в Тунисе доступной для женщин Как гинеколог Тавхида бен Шейх делала медицину в Тунисе доступной для женщин

Гинеколог Тавхида бен Шейх не только лечила женщин, но и боролась за их права

Forbes
Правильные слова Правильные слова

Сегодня наш язык снова меняется. Действительно ли он при этом портится?

Вокруг света
Открыть в приложении