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

Церингенский лев Церингенский лев

Что помогает раскрыть тайну таких «фрачных» портретов

Дилетант
Всё, что тебе нужно знать перед походом к портнихе: 9 советов по пошиву одежды на заказ Всё, что тебе нужно знать перед походом к портнихе: 9 советов по пошиву одежды на заказ

Собираешься подогнать пиджак или заказать платье? Эти советы тебе пригодятся

VOICE
Африка и африканцы во времена колоний Африка и африканцы во времена колоний

Как происходила колонизация Африки и к чему она привела

Знание – сила
Как за минуту заточить ножницы: 5 лучших методов Как за минуту заточить ножницы: 5 лучших методов

Как правильно наточить ножницы в домашних условиях

ТехИнсайдер
Электроусилитель руля. Как он работает и чем отличается от гидроусилителя Электроусилитель руля. Как он работает и чем отличается от гидроусилителя

Как электроусилитель руля помогает водителю?

РБК
Лираглутид эффективно снизил массу тела при ожирении у детей с шести лет Лираглутид эффективно снизил массу тела при ожирении у детей с шести лет

Терапия лираглутидом вполне эффективна у детей в возрасте 6–11 лет

N+1
Губаны-чистильщики оценили размеры своего тела относительно других благодаря зеркалу Губаны-чистильщики оценили размеры своего тела относительно других благодаря зеркалу

Губаны-чистильщики способны формировать ментальный образ собственного тела

N+1
Избыток сахара ускоряет старение клеток и сокращает продолжительность жизни Избыток сахара ускоряет старение клеток и сокращает продолжительность жизни

Избыток сахара может изменить работу клеток в организме человека

ТехИнсайдер
Опасная экзотика Опасная экзотика

Будь осторожна, покупая во время путешествия колоритные местные безделушки

Лиза
Что такое раздаточная коробка и для чего она нужна в автомобиле Что такое раздаточная коробка и для чего она нужна в автомобиле

Все о раздаточной коробке: назначение, виды, неисправности

РБК
Всему свое время: зачем нужен распорядок дня для детей и как его правильно составить Всему свое время: зачем нужен распорядок дня для детей и как его правильно составить

Как правильно организовать режим ребенка, в чем его польза?

Forbes
Миниатюрный робот с напечатанными на 3D-принтере шестью ногами закатил мяч в ворота Миниатюрный робот с напечатанными на 3D-принтере шестью ногами закатил мяч в ворота

Как инженерам удалось разработать шестиногого микроробота Picotaur

N+1
Небесная Европа Небесная Европа

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

Знание – сила
Как понять, что девушка вас использует, а не любит: 7 признаков обмана Как понять, что девушка вас использует, а не любит: 7 признаков обмана

По каким признакам можно понять, что партнер вас использует?

Psychologies
Фольклорист Александра Баркова: Считать меня язычницей — это какой-то тяжелый бред Фольклорист Александра Баркова: Считать меня язычницей — это какой-то тяжелый бред

Интервью с российским фольклористом Александрой Барковой

СНОБ
Чтобы одежда всегда вкусно пахла: 7 способов сделать крутые ароматизаторы для шкафа Чтобы одежда всегда вкусно пахла: 7 способов сделать крутые ароматизаторы для шкафа

Как из подручных средств сделать ароматизатор для шкафа?

ТехИнсайдер
АЗС, ТРК, СУГ, КПГ: что все это значит и для чего нужно АЗС, ТРК, СУГ, КПГ: что все это значит и для чего нужно

Как устроена автозаправка и что значат аббревиатуры на вывесках

РБК
Быстрее, выше, сильнее: как 3D-технологии меняют обувь Быстрее, выше, сильнее: как 3D-технологии меняют обувь

Аддитивные технологии обещают приспособить под производство идеальной обуви

Монокль
Мнение психологов: 5 обычных вечерних привычек мешают вашему успеху! Стоит узнать Мнение психологов: 5 обычных вечерних привычек мешают вашему успеху! Стоит узнать

Многие из ежедневных действий могут быть вреднее, чем вам кажется

ТехИнсайдер
Фарминг, патриотизм и гробница Хуан-ди: как завоевать китайский рынок гейминга Фарминг, патриотизм и гробница Хуан-ди: как завоевать китайский рынок гейминга

Чем азиатский геймдев отличается от западного?

Forbes
Микробиота кишечника определяет социальное поведение Микробиота кишечника определяет социальное поведение

Какие гены участвуют в механизме взаимодействия мозга и кишечника?

Наука
На приеме у психолога Аристокла: проблемы человека XXI века глазами древних греков На приеме у психолога Аристокла: проблемы человека XXI века глазами древних греков

Историо-Терапия: можно ли в прошлом найти ответы на непростые вопросы?

Psychologies
Ах, эта язва! Ах, эта язва!

Какого специального лечения зачастую требует стоматит?

Лиза
Гигантский оползень в Гренландии услышали сейсмостанции всего мира Гигантский оползень в Гренландии услышали сейсмостанции всего мира

USO вызвало цунами на исследовательской станции в гренландском фьорде Диксон

ТехИнсайдер
В ожидании полярного сияния. О якутской драме «Чума» В ожидании полярного сияния. О якутской драме «Чума»

Какие темы поднимает фильм Дмитрия Давыдова «Чума»

СНОБ
Вредность или расчет? Зачем дальнобойщики едут так близко друг к другу, мешая обгону Вредность или расчет? Зачем дальнобойщики едут так близко друг к другу, мешая обгону

Почему дальнобойщики не держат дистанцию, мешая другим машинам?

ТехИнсайдер
Фантазии на тему любви Фантазии на тему любви

Функциональный и удобный интерьер в соответствии с духом времени

Идеи Вашего Дома
Эксперты назвали максимально надежные автомобили. Их продают в России Эксперты назвали максимально надежные автомобили. Их продают в России

Какие самые надежные новые и подержанные автомобили выделяют эксперты?

РБК
Неврологи описали изменения мозга у беременной женщины Неврологи описали изменения мозга у беременной женщины

Ученые провели 26 томографий беременной, чтобы оценить изменения ее мозга

N+1
Диана Арбенина: «Книги как хлеб, их надо нюхать!» Диана Арбенина: «Книги как хлеб, их надо нюхать!»

Диана Арбенина — о возрасте, творчестве и отношениях с матерью

СНОБ
Открыть в приложении