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

«Люди людей еши» «Люди людей еши»

Неурожайные года и голод на Руси

Дилетант
Считавшийся рыбоядным или насекомоядным раннемеловой энанциорнис оказался любителем фруктов Считавшийся рыбоядным или насекомоядным раннемеловой энанциорнис оказался любителем фруктов

Оказалось, что раннемеловой энанциорнис питался плодами растений

N+1
Умиротворение Умиротворение

В августе 1940 года немецкие самолеты совершили первый налёт на Великобританию

Дилетант
«Пушкинская 10»: из сквота в арт-кластер «Пушкинская 10»: из сквота в арт-кластер

«Пушкинская 10» — пространство свободы и искусства в самом центре Петербурга

Psychologies
Не забудьте выключить телевизор: как пропаганда использует «темную психологию» Не забудьте выключить телевизор: как пропаганда использует «темную психологию»

Какими психологическими приемами чаще всего пользуются пропагандисты

Forbes
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
Где у нас кнопка счастья? Где у нас кнопка счастья?

Есть ли у нас центр наслаждения и как его активировать?

Добрые советы
Атомная энергетика покажет взрывной рост Атомная энергетика покажет взрывной рост

Россия отклоняется от мирового тренда в пользу атомной энергии

Монокль
Александр Домогаров: «Я такого не мог себе позволить никогда! Впервые за 60 лет сделал то, что хотел» Александр Домогаров: «Я такого не мог себе позволить никогда! Впервые за 60 лет сделал то, что хотел»

Об Александре Вертинском рассказывает народный артист Александр Домогаров

Караван историй
Ушел из жизни бывший тренер Марии Шараповой и Анастасии Мыскиной Ушел из жизни бывший тренер Марии Шараповой и Анастасии Мыскиной

Скончался наставник нескольких звезд тенниса. Роберт Лэнсдорп прожил 85 лет

VOICE
От создателей «Южного парк» и «Офиса»: самые высокооплачиваемые шоураннеры — 2024 От создателей «Южного парк» и «Офиса»: самые высокооплачиваемые шоураннеры — 2024

Рейтинг самых высокооплачиваемых шоураннеров 2024 года

Forbes
Откуда берется пассивная агрессия на работе: 3 сценария Откуда берется пассивная агрессия на работе: 3 сценария

Коллега говорит одно, а делает другое? Проходит мимо и не здоровается?

Psychologies
Не только скорость Не только скорость

Скорость у лодок Pershing не является альтернативой эстетики и комфорта

Y Magazine
Кетодиета Кетодиета

Кетодиета остаётся предметом изучения и споров

Здоровье
«Я пишу здесь только правду». Отрывок из дневников Ольги Берггольц «Я пишу здесь только правду». Отрывок из дневников Ольги Берггольц

Отрывок из дневниковых записях о последних днях жизни мужа Ольги Берггольц

СНОБ
Детки в клетке: что такое квадробинг и может ли он быть опасным для ребенка Детки в клетке: что такое квадробинг и может ли он быть опасным для ребенка

Может ли квадробинг нанести вред детской психике?

Forbes
Вы поразитесь, сколько людей проживало в Древней Греции! Узнайте интересные факты Вы поразитесь, сколько людей проживало в Древней Греции! Узнайте интересные факты

Можно ли оценить население Древней Греции?

ТехИнсайдер
Разве этого мы ждали: топ-5 самых ужасных игр за последние годы Разве этого мы ждали: топ-5 самых ужасных игр за последние годы

Собираем все разбитые надежды геймеров.

Maxim
Роликовые кроссовки и водный велосипед: гениальные изобретения ученых, способные изменить жизнь человека Роликовые кроссовки и водный велосипед: гениальные изобретения ученых, способные изменить жизнь человека

Ежедневно ученые изобретают приспособления и устройства, чтобы изменить жизнь

ТехИнсайдер
10 доступных практик на каждый день, которые помогут сохранить устойчивость в непростые времена 10 доступных практик на каждый день, которые помогут сохранить устойчивость в непростые времена

Казалось бы, маленькие шаги — та основа, на которой все и держится

Psychologies
В геноме кроманьонского ребенка из итальянской пещеры нашли признаки инбридинга В геноме кроманьонского ребенка из итальянской пещеры нашли признаки инбридинга

Ученые изучили останки ребенка из погребения в итальянской пещере Мура

N+1
«…Готовый уже приговор» «…Готовый уже приговор»

У советской власти менялись представления об измене, но всегда были строгими

Дилетант
«Ты не похожа на других женщин»: почему это плохой комплимент и как его можно сделать лучше «Ты не похожа на других женщин»: почему это плохой комплимент и как его можно сделать лучше

Давайте разберемся, что стоит за фразой «ты не такая, как все девушки»

Psychologies
Елизавета Лихачева: «Искусство не делает людей лучше ни в какой степени» Елизавета Лихачева: «Искусство не делает людей лучше ни в какой степени»

«В музее не существует второстепенных профессий, каждый винтик важен»

Караван историй
«Жалость губительна»: как помогают людям с таким диагнозом, как у Стивена Хокинга «Жалость губительна»: как помогают людям с таким диагнозом, как у Стивена Хокинга

Как выстроить эффективную систему помощи людям с болезнью БАС

Forbes
Сила в форме Сила в форме

«Чума»: новая глава в истории якутского кино

Weekend
Действительно ли люди под алкоголем говорят то, что у них на трезвом уме? Действительно ли люди под алкоголем говорят то, что у них на трезвом уме?

Считается, что пьяный человек говорит правду и только правду, но так ли это?

ТехИнсайдер
Ананас Ананас

Ради чего человек готов пойти на кражу, даже если на него смотрит Бог?

СНОБ
Интуиция или тревога: каким бывает предчувствие и как с ним справиться Интуиция или тревога: каким бывает предчувствие и как с ним справиться

Как освободиться от излишней тревожности, чтобы жить в спокойствии?

Psychologies
Как мир становился многополярным Как мир становился многополярным

Почему концепция многополярности не обрела прочных теоретических оснований?

Монокль
Открыть в приложении