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

Личное дело Натана Стругацкого Личное дело Натана Стругацкого

В архиве РНБ (бывшая Публичка) обнаружили личное дело Натана Стругацкого

Дилетант
Ультануть перед подростком: какие слова нужно выучить, чтобы понимать поколение альфа Ультануть перед подростком: какие слова нужно выучить, чтобы понимать поколение альфа

Как ультануть перед ребенком и почему вайб теперь может оказаться с минусом

Forbes
Мобилизация-1914: эмоции россиян Мобилизация-1914: эмоции россиян

Кто определяет «национальные интересы»?

Дилетант
4 примера незаметной лжи, которая разрушает отношения 4 примера незаметной лжи, которая разрушает отношения

Четыре примера незаметной лжи в отношениях

Psychologies
Елена Проклова: «Я имею право жить не так, как надо, а как хочу» Елена Проклова: «Я имею право жить не так, как надо, а как хочу»

Лена, какие-то утяжелители возьми, нельзя же так порхать по жизни

Коллекция. Караван историй
Вышиванка Вышиванка

Моду на вышитые рубашки вот уже более полувека упорно приписывают Никите Хрущёву

Дилетант
13 игр с поцелуями — от тех, которые оживят вашу прелюдию, до тех, которые подойдут для вечеринки 13 игр с поцелуями — от тех, которые оживят вашу прелюдию, до тех, которые подойдут для вечеринки

Игры с поцелуями: как насчет еще одного повода поцеловаться?

VOICE
Не спускайся вниз: как важные хорроры, постхорроры и слоубернеры последних лет изменили жанр Не спускайся вниз: как важные хорроры, постхорроры и слоубернеры последних лет изменили жанр

Хоррор-проекты, которые кардинально трансформировали жанр

Правила жизни
Ирина Безрукова: «Важно успевать жить свою жизнь» Ирина Безрукова: «Важно успевать жить свою жизнь»

Ирина Безрукова: секреты ухода за собой и любовь к орхидеям

Здоровье
Иконография детства Иконография детства

Таня Рауш: по ту сторону фотографии

Weekend
6 уроков счастья из крупнейших исследований 6 уроков счастья из крупнейших исследований

Надоело гоняться за счастьем, вместо того чтобы наслаждаться им?

ТехИнсайдер
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
Расстройства пищевого поведения привели к тяжелым электролитным нарушениям Расстройства пищевого поведения привели к тяжелым электролитным нарушениям

К чему приводят электролитные нарушения при расстройствах пищевого поведения

N+1
Психологический рубеж: зачем нужен возраст согласия и какие проблемы он не решает Психологический рубеж: зачем нужен возраст согласия и какие проблемы он не решает

Как появился возраст согласия? Могут ли секс-преступники избежать наказания?

Forbes
От угрюмого бати до заботливого родителя: как за последние годы трансформировался образ отца в российском кино От угрюмого бати до заботливого родителя: как за последние годы трансформировался образ отца в российском кино

На примере самых заметных проектов: трансформация образа экранного родителя.

Правила жизни
«Все полюбили лицо, а не искусство»: Егор Зайцев — о Борисе Рыжем «Все полюбили лицо, а не искусство»: Егор Зайцев — о Борисе Рыжем

Борис Рыжий: понимаем ли мы, что стоит за любимым лирическим героем?

РБК
Россияне полюбили избинг. Почему отдых в сельских домиках так нравится молодежи? Россияне полюбили избинг. Почему отдых в сельских домиках так нравится молодежи?

Что такое избинг и почему молодых людей привлекает загородный отдых

Psychologies
Точки над ИИ: почему не вся автоматизация одинаково полезна Точки над ИИ: почему не вся автоматизация одинаково полезна

Чего стоит погоня за технологичностью, почему ИИ пока не может заменить человека

Forbes
Ученые узнали, как Ozempic действует на психику Ученые узнали, как Ozempic действует на психику

Как лекарства от диабета Ozempic и Wegovy влияют на ментальное здоровье людей

ТехИнсайдер
Роборука отсоединилась от манипулятора и поползла Роборука отсоединилась от манипулятора и поползла

Роборука передвигается на пальцах и захватывает предметы

N+1
«Вы не завершили заказ»: шопоголизм нового времени «Вы не завершили заказ»: шопоголизм нового времени

В чем опасность зависимости от маркетплейсов?

Grazia
5 неочевидных признаков того, что ваши отношения идут к концу 5 неочевидных признаков того, что ваши отношения идут к концу

Как понять, боретесь ли вы с временными трудностями, или союзу пришел конец?

VOICE
3 потребности, по которым можно распознать нарцисса в новом знакомом 3 потребности, по которым можно распознать нарцисса в новом знакомом

Как вычислить нарцисса на первом свидании?

Psychologies
Рассказ Дмитрия Захарова из сборника «Механическое вмешательство» Рассказ Дмитрия Захарова из сборника «Механическое вмешательство»

Рассказ, созданный Дмитрием Захаровым и искусственным интеллектом YandexGPT

СНОБ
Семь симптомов диабета Семь симптомов диабета

На ранних стадиях диабет хорошо лечится, главное – не упустить время!

Здоровье
Не хочу быть зависимой Не хочу быть зависимой

Что делать, если лекарство из средства экстренной помощи становится постоянным

Лиза
Премудрость букв Премудрость букв

Чтобы прочесть текст на латыни или на церковнославянском, мало знать язык

Вокруг света
Как военные корабли СССР ходили по Лох-Нессу: необычный эпизод Второй мировой Как военные корабли СССР ходили по Лох-Нессу: необычный эпизод Второй мировой

Как советские моряки неожиданно для себя оказались на озере Лох-Несс в 1944 году

ТехИнсайдер
«Я всегда старалась успевать жить» «Я всегда старалась успевать жить»

Серии «Комбинации», где Анастасия Уколова исполняет одну из главных ролей

OK!
От Библии до Хичкока: историк — о том, что скрывают культурные коды От Библии до Хичкока: историк — о том, что скрывают культурные коды

История осознания и становления собой через взаимодействие с мировой культурой

РБК
Открыть в приложении