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

Город In Folio Город In Folio

Петербург из тех мест, что лишний раз опиши – от него не убудет

Вокруг света
Писатель Андрей Арьев: Довлатов был человеком, готовым сорваться в любую минуту Писатель Андрей Арьев: Довлатов был человеком, готовым сорваться в любую минуту

Писатель Андрей Арьев — про своего друга Довлатова

СНОБ
Хозяйка острова Ро Хозяйка острова Ро

При жизни эта женщина была символом свободы, сопротивления и греческой нации

Дилетант
«Вера»: драма о контролирующей матери по культовой советской повести «Вера»: драма о контролирующей матери по культовой советской повести

Чем интересна адаптация повести «Вам и не снилось...» — драма «Вера»

Forbes
Музыкант Сергей Сироткин: Помню, что «Велит нам петь» придумал после того, как прослушал несколько книг Стивена Кинга Музыкант Сергей Сироткин: Помню, что «Велит нам петь» придумал после того, как прослушал несколько книг Стивена Кинга

Интервью с музыкантом Сергеем Сироткиным

СНОБ
Спагетти-монстр Спагетти-монстр

SWM G01F: китайский кроссовер для Cпиди-гонщика

Автопилот
Разговоры о страшном Разговоры о страшном

Как обэриуты изучали мир, где остановилось время

Weekend
Инь-ян Инь-ян

Что означает древний символ инь-ян и как применять его силу на практике

Лиза
Инвестиция в красоту: как капельницы стали частью современной бьюти-рутины Инвестиция в красоту: как капельницы стали частью современной бьюти-рутины

Почему капельницы стали так популярны в косметологии?

Forbes
Издатели и авторы в США пожаловались на запрет книг! Вот с чего началась цензура Издатели и авторы в США пожаловались на запрет книг! Вот с чего началась цензура

Почему же в XXI веке книги все еще подвергают жёсткой цензуре?

ТехИнсайдер
Один раз, еще не жена Один раз, еще не жена

Однажды я провел за два года три свадьбы у одной и той же невесты!

Men Today
Налог на бездетность и запрет на самогоноварение: 5 странных законов времен СССР Налог на бездетность и запрет на самогоноварение: 5 странных законов времен СССР

О 5 самых странных законах, которые советские граждане были обязаны соблюдать

ТехИнсайдер
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
Терпеть нельзя поужинать Терпеть нельзя поужинать

Сакраментальное «ужин отдай врагу» многими воспринимается как прямое указание

Лиза
Что такое «коллапс модели», чем он угрожает развитию ИИ и человека Что такое «коллапс модели», чем он угрожает развитию ИИ и человека

Сегодня активно обсуждается «коллапс модели». Насколько это опасно?

ТехИнсайдер
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
Моложе, красивее, идеальнее: 5 пугающих фильмов о тяге к совершенству Моложе, красивее, идеальнее: 5 пугающих фильмов о тяге к совершенству

Фильмы, исследующие внутренние конфликты через изменения внешние

Psychologies
Рано списывать: 5 главных преимуществ HDD перед SSD Рано списывать: 5 главных преимуществ HDD перед SSD

Почему в некоторых случаях лучше купить HDD, а не SSD?

CHIP
Кетодиета Кетодиета

Кетодиета остаётся предметом изучения и споров

Здоровье
Бег – не просто занятия Бег – не просто занятия

Как и в чём им помогают беговые тренировки: советы новичкам

Здоровье
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
Две классические ошибки садоводов Две классические ошибки садоводов

Что мы сплошь и рядом видим в саду? А видим мы… джунгли

Наука и жизнь
Гений места Гений места

Архыз, Ольхон, Красная Поляна — о любимых маршрутах рассказывают гиды

Новый очаг
Притяжение Арктики Притяжение Арктики

Как выглядит изнутри туристическая отрасль на архипелаге Шпицберген

Отдых в России
Ушла за цветами для мамы и пропала без вести: загадочное дело Марджори Уэст Ушла за цветами для мамы и пропала без вести: загадочное дело Марджори Уэст

Малышка по имени Марджори Уэст таинственно исчезла в лесах Пенсильвании

ТехИнсайдер
Мы в моде Мы в моде

Достаточно ли твердо отечественные модные марки стоят на ногах?

VOICE
Отнюдь не проявление грусти: почему у кота слезятся глаза и когда стоит бить тревогу Отнюдь не проявление грусти: почему у кота слезятся глаза и когда стоит бить тревогу

Почему кошки иногда плачут?

ТехИнсайдер
Теннисистка Анастасия Пивоварова рассказала, как справляться с любыми трудностями Теннисистка Анастасия Пивоварова рассказала, как справляться с любыми трудностями

Теннисистка Анастасия Пивоварова поделилась своими рецептами успеха

Psychologies
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
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
Открыть в приложении