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

Молодой Цезарь Молодой Цезарь

Карьера Цезаря могла бы оборваться, едва начавшись, равно как и его жизнь...

Знание – сила
Такой простой и трудный ЗОЖ Такой простой и трудный ЗОЖ

Точного определения того, что означает ЗОЖ, практически не существует

Здоровье
БИНТИ БИНТИ

Репетиции прогулок по Луне, охлаждающая краска и древнейшая горная порода

Наука и жизнь
Вот что интересно узнать о пестрой и жужжащей птичке: 15 любопытных фактов о колибри Вот что интересно узнать о пестрой и жужжащей птичке: 15 любопытных фактов о колибри

Забавные колибри примечательны не только своими миниатюрными размерами!

ТехИнсайдер
Наша история Наша история

Продажа Аляски в 1867 году была объективной необходимостью

Дилетант
Руками трогать Руками трогать

Массаж лица: теория и практика

Новый очаг
Товарищ Тело Товарищ Тело

«Субстанция»: еще один важный боди-хоррор

Weekend
Сила в форме Сила в форме

«Чума»: новая глава в истории якутского кино

Weekend
Как не дать детям от первого брака разрушить семью: 5 ситуаций Как не дать детям от первого брака разрушить семью: 5 ситуаций

Знакомо ли вам такое понятие, как «лоскутная» семья?

Psychologies
Карты, деньги, два спеца Карты, деньги, два спеца

Психолог и крупье рассказали RR, как не «подсесть» на игру

RR Люкс.Личности.Бизнес.
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
«Комната по соседству» в Венеции: как живой классик Альмодовар осмысляет тему смерти «Комната по соседству» в Венеции: как живой классик Альмодовар осмысляет тему смерти

Почему «Комнату» классика Педро Альмодовара определенно стоит смотреть?

Forbes
Слова и музыка Слова и музыка

Елизавета Базыкина удивляет спокойствием не только к успеху, но и к неудачам

VOICE
Секреты Софи Секреты Софи

Правила ухода со собой легендарной актрисы Софи Лорен

Лиза
Жадность города берет Жадность города берет

«Ненасытные люди»: черная комедия, подражающая братьям Коэн

Weekend
Нужен ли вам подержанный Range Rover? Нужен ли вам подержанный Range Rover?

Б/у Range Rover: стоит ли брать и чего ждать от подержанного автомобиля?

4x4 Club
А зима не за горами… А зима не за горами…

Для консервации яхты на зиму необходимо выполнить несколько важных действий

Y Magazine
Как в России жили, спивались и умирали слоны Как в России жили, спивались и умирали слоны

Трагические истории слонов, которых дарили персидские правители российским царям

СНОБ
Что лучше — пиво или водка Что лучше — пиво или водка

Давайте рассудим противостояние титанов с точки зрения пользы, вреда и вкуса

Maxim
Эффект Расемона: что это означает и как с ним бороться Эффект Расемона: что это означает и как с ним бороться

Эффект Расемона: разбираем происхождение термина и причины этого феномена

Psychologies
Зерновозы для страны Зерновозы для страны

Задача по увеличению объемов поставок сельхозпродукции за рубеж поставлена

Агроинвестор
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
Весомый вопрос Весомый вопрос

Может ли семаглутид вызвать привыкание или другие негативные последствия?

Psychologies
Морские губки отпугивают хищников ядовитым молибденом Морские губки отпугивают хищников ядовитым молибденом

У губок в Эйлатском заливе есть оригинальный способ отпугивания хищников

ТехИнсайдер
Инженеры строят новую Атлантиду: как мы незаметно оказались на пороге эры подводных городов Инженеры строят новую Атлантиду: как мы незаметно оказались на пороге эры подводных городов

Похоже, в текущем десятилетии человечество все же сделает шаг в воду

ТехИнсайдер
Гардероб Гардероб

Лучшие вещи года сочетают элегантность с практичностью и новаторством

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Человек умер после того, как хирурги удалили не ту часть тела Человек умер после того, как хирурги удалили не ту часть тела

Из-за чего допускаются врачебные ошибки?

ТехИнсайдер
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
Погода в доме: как знаки зодиака влияют на атмосферу в семье Погода в доме: как знаки зодиака влияют на атмосферу в семье

Как знак зодиака может повлиять на отношения внутри семьи?

VOICE
11 ложных представлений о любви, которые нам часто навязывают 11 ложных представлений о любви, которые нам часто навязывают

Действительно ли произносящий слова о чувствах человек искренне нас любит?

Psychologies
Открыть в приложении