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

Четыре лика империи Четыре лика империи

Как землетрясение повлияло на нынешний облик малых городов Италии

Вокруг света
Мухи с котлетами: почему третий бак не решит проблему переработки пищевых отходов Мухи с котлетами: почему третий бак не решит проблему переработки пищевых отходов

Почему отдельный бак для пищевых отходов не избавит страну от выброшенной еды?

Forbes
Казус Донского Казус Донского

Как завещание Дмитрия Донского привело к междусобице на Руси

Дилетант
Сьюзен Таубес «Развод». Впервые на русском Сьюзен Таубес «Развод». Впервые на русском

Отрывок из забытого романа Сьюзен Таубес «Развод»

СНОБ
Культ удовольствия Культ удовольствия

Гедонизм — это хорошо или плохо?

Добрые советы
Почему мужчине не стоит мыть голову шампунем своей девушки Почему мужчине не стоит мыть голову шампунем своей девушки

Зачем мужчинам своя косметика, неужели у них другая кожа?

Maxim
Жадность города берет Жадность города берет

«Ненасытные люди»: черная комедия, подражающая братьям Коэн

Weekend
Создана удивлять Создана удивлять

Турецкая Numarine Yachts с новой моделью Numarine 30XP

Y Magazine
От соблазнительницы до убийцы: 7 роковых женщин из кино, которые не боятся разрушать жизни От соблазнительницы до убийцы: 7 роковых женщин из кино, которые не боятся разрушать жизни

Собрали в подборку семь роковых леди кинематографа, способных на многое

Maxim
10 поступков женщин на первом свидании, которые отталкивают всех мужчин 10 поступков женщин на первом свидании, которые отталкивают всех мужчин

Первые свидания все время заканчиваются неудачно?

Psychologies
Квантовая нейросеть «видит» оптические иллюзии, как человек Квантовая нейросеть «видит» оптические иллюзии, как человек

Что такое квантовое туннелирование и как оно помогает обучать нейросети?

ТехИнсайдер
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
Нейросеть-ученый, имена мармозеток и новое лекарство от старости: новости науки Нейросеть-ученый, имена мармозеток и новое лекарство от старости: новости науки

Как создают «живые лекарства» и зачем мармозетки дают друг другу имена?

Forbes
Вечный ЗОЖ Вечный ЗОЖ

Почему любительский спорт переживает ренессанс

Men Today
Чем страсть отличается от любви? Чем страсть отличается от любви?

Почему мы выбираем болезненные отношения и как поддерживать интерес к партнеру?

Psychologies
Загадка человеческой психики: как формируются фобии Загадка человеческой психики: как формируются фобии

Фобии: как именно они возникают, что становится катализатором?

ТехИнсайдер
Шутки в сторону. Почему «Джокер: Безумие на двоих» одновременно и разочарование, и удача? Шутки в сторону. Почему «Джокер: Безумие на двоих» одновременно и разочарование, и удача?

«Джокер: Безумие на двоих»: фильм, который одновременно восхищает и раздражает

Правила жизни
Карта перемен: как за 15 лет изменилось положение женщин в обществе, бизнесе и семье Карта перемен: как за 15 лет изменилось положение женщин в обществе, бизнесе и семье

Как изменились позиции женин на российском рынке труда?

Forbes
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
Комната ученика Комната ученика

Интерьеры, в которых ребенку комфортно не только учиться, но и играть, и мечтать

Новый очаг
Единичный случай Единичный случай

Что означает число 1 в ангельской нумерологии и как этим правильно пользоваться

Лиза
Почувствуй разницу Почувствуй разницу

Самодостаточный мужчина VS инфантильный мальчик: учимся распознавать

Лиза
Загрязнители воздуха по-разному повлияли на повседневную двигательную активность американцев Загрязнители воздуха по-разному повлияли на повседневную двигательную активность американцев

Загрязнение воздуха влияет на двигательную повседневную активность

N+1
5 лучших ролей Мэгги Смит 5 лучших ролей Мэгги Смит

Вспоминаем самые яркие роли британской актрисы из культовых фильмов

Psychologies
Без воды Без воды

Какие у безводной косметики преимущества и недостатки?

Лиза
Владимир Фокин: «Вячеслав Тихонов отказывался сниматься, просил: «Освободите меня, я так этого наелся!» Владимир Фокин: «Вячеслав Тихонов отказывался сниматься, просил: «Освободите меня, я так этого наелся!»

Владимир Фокин — о съемках фильма «ТАСС уполномочен заявить...»

Коллекция. Караван историй
Устраивают «вонючие бои» и имеют два языка: 5 внезапных фактов о лемурах Устраивают «вонючие бои» и имеют два языка: 5 внезапных фактов о лемурах

Лемуры — необычные животные, о которых вы многого не знаете

ТехИнсайдер
Что значит на подростковом языке слово «эщкере»? Что значит на подростковом языке слово «эщкере»?

Почему подростки используют сленговые слова?

Psychologies
Зачем нужна астрохимия? Зачем нужна астрохимия?

Чем занимается астрохимия, когда и как она выделилась в самостоятельную науку

Знание – сила
Меньше атома: как работает квантовая механика Меньше атома: как работает квантовая механика

Отрывок из книги «Сто лет недосказанности» о квантовой механике

Inc.
Открыть в приложении