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

Вот такой гуманизм по-большевистски Вот такой гуманизм по-большевистски

Вопросы для Василия Христофорова, одного из авторов «Высылки вместо расстрела»

Дилетант
Зачем пенсионеры ищут партнеров для сожительства и при чем тут «индекс Кэрри Брэдшоу» Зачем пенсионеры ищут партнеров для сожительства и при чем тут «индекс Кэрри Брэдшоу»

Кто такие буммейты и почему жить с соседями сегодня наиболее выгодно

Forbes
Первая вдова СССР Первая вдова СССР

Крупская занималась вопросами коммунистического воспитания и образования

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
Синдром главного героя в психологии: признаки и как от него избавиться Синдром главного героя в психологии: признаки и как от него избавиться

Почему иногда люди ведут себя так, будто они главные герои фильма или сериала?

Psychologies
Ближний Дальний Восток Ближний Дальний Восток

Какие уроки истории стоит не забывать современным экономистам

Деньги
Творческий район Творческий район

Светлый, уютный интерьер с приятными тёплыми оттенками и яркими акцентами

Идеи Вашего Дома
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
История прямохождения. Отрывок из книги палеоантрополога «Первые шаги» История прямохождения. Отрывок из книги палеоантрополога «Первые шаги»

Отрывок из книги о том, как и почему люди стали прямоходящими

СНОБ
Оптическая или цифровая: какая стабилизация лучше, и зачем она вообще нужна Оптическая или цифровая: какая стабилизация лучше, и зачем она вообще нужна

Зачем вообще нужна стабилизация изображения в смартфонах и камерах?

CHIP
Снимаем барьеры Снимаем барьеры

Как бороться с психологическими барьерами, мешающими жить полноценной жизнью

Лиза
«Больше нуждается в евреях, чем в пекарях»: как разные народы уживались в Венеции «Больше нуждается в евреях, чем в пекарях»: как разные народы уживались в Венеции

Глава из книги «Венеция. История воды и суши»

Forbes
Бренд или не бренд: при поиске работы треть соискателей не доверяют франшизам Бренд или не бренд: при поиске работы треть соискателей не доверяют франшизам

Почему соискатели не готовы рассматривать вакансии в компаниях-франчайзи?

Forbes
Не плохой парень. Интервью с актером Андреем Максимовым Не плохой парень. Интервью с актером Андреем Максимовым

Андрея Максимова все чаще можно встретить в главных кино- и сериальных проектах

СНОБ
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
Цветущая сложность в эпоху тотальной медиатизации: говорят физики Цветущая сложность в эпоху тотальной медиатизации: говорят физики

Какие стратегии медийной самопрезентации используются научными вузами и учеными

Наука
«Надо уважать чужое мнение за то, что оно чужое» «Надо уважать чужое мнение за то, что оно чужое»

Как Юрий Лотман пересилил время

Weekend
Элемент революции Элемент революции

Автомобильный спорт стоит на пороге революции. И имя ей – водород

ТехИнсайдер
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
Офицерский выбор Офицерский выбор

105 лет назад войска Северо-Западной армии повели наступление на Петроград

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
Огненный гость из загадочной Вселенной: почему нельзя делать снимки шаровой молнии и другие факты о таинственном явлении Огненный гость из загадочной Вселенной: почему нельзя делать снимки шаровой молнии и другие факты о таинственном явлении

Шаровая молния: загадочное явление, которое притягивает и пугает одновременно

ТехИнсайдер
9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей 9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей

У комнатных растений много суперсил

VOICE
Что такое склонность к подтверждению своей точки зрения: примеры и причины появления Что такое склонность к подтверждению своей точки зрения: примеры и причины появления

Что такое предвзятость подтверждения и как она влияет на нас

Psychologies
Творческий поток: почему лучшие идеи приходят к нам в самых неожиданных ситуациях Творческий поток: почему лучшие идеи приходят к нам в самых неожиданных ситуациях

Что такое «блуждание ума» и почему оно помогает найти неожиданные решения

Forbes
Есть свет для бедных и свет для богатых Есть свет для бедных и свет для богатых

Правда ли, что человечество слепнет, и можно ли вернуть зрение слепому человеку?

Наука
Новая жизнь с понедельника: почему в психологии не бывает быстрых результатов Новая жизнь с понедельника: почему в психологии не бывает быстрых результатов

Чем опасны мифы о мгновенных изменениях, как на деле выглядит развитие личности?

Forbes
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
Уроки смыло наводнением: как климатический кризис мешает школьникам хорошо учиться Уроки смыло наводнением: как климатический кризис мешает школьникам хорошо учиться

Наиболее яркие примеры влияния погоды на образовательный процесс

Forbes
История развития морских беспилотников. Часть 2 История развития морских беспилотников. Часть 2

Для чего используются беспилотные подводные аппараты

Наука и техника
Открыть в приложении