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

«Величайший португалец» «Величайший португалец»

Хозяином Португалии был Антониу Салазар, а его богом была Стабильность

Дилетант
5 увлекательных книг о мошенниках 5 увлекательных книг о мошенниках

Книги, которые объединяет то, что их главные герои — мошенники и аферисты

Maxim
Военная галерея Военная галерея

Перед главным залом Зимнего дворца несут вечную службу герои войны 1812 года

Дилетант
Что сделает вас успешным лидером? Эксперт рассказал, какой юмор нужно использовать! Что сделает вас успешным лидером? Эксперт рассказал, какой юмор нужно использовать!

Самоуничижение — полезный инструмент для людей, которые хотят получить внимание

ТехИнсайдер
Всему свое время: зачем нужен распорядок дня для детей и как его правильно составить Всему свое время: зачем нужен распорядок дня для детей и как его правильно составить

Как правильно организовать режим ребенка, в чем его польза?

Forbes
Вышиванка Вышиванка

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

Дилетант
«Полевые биологи в лицах» «Полевые биологи в лицах»

Каково изучать мант в естественной среде обитания

N+1
Первая прямая телетрансляция Первая прямая телетрансляция

Днём рождения немецкого телевидения принято считать 22 марта 1935 года

Дилетант
Соленый папоротник и мороженое из грибов: что пробовать на Камчатке Соленый папоротник и мороженое из грибов: что пробовать на Камчатке

Самые аутентичные блюда Камчатки

СНОБ
Зерновозы для страны Зерновозы для страны

Задача по увеличению объемов поставок сельхозпродукции за рубеж поставлена

Агроинвестор
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
«Внеждановщина: Советская послевоенная политика в области культуры как диалог с воображаемым Западом» «Внеждановщина: Советская послевоенная политика в области культуры как диалог с воображаемым Западом»

Что не понравилось Сталину в фильме «Большая жизнь»

N+1
Земля кипящая Земля кипящая

Долина гейзеров на полуострове Камчатка уникальна в мировом масштабе

Лиза
Страна красивых мужчин и дорогой жизни: как и зачем россияне едут в Южную Корею Страна красивых мужчин и дорогой жизни: как и зачем россияне едут в Южную Корею

Чем Южная Корея привлекает россиян, как получить там рабочую визу?

Forbes
Песни с сюрпризом: неожиданные смыслы известных треков Песни с сюрпризом: неожиданные смыслы известных треков

Музыка, которую вы точно слышали, но не задумывались, о чем она

СНОБ
Что такое раздаточная коробка и для чего она нужна в автомобиле Что такое раздаточная коробка и для чего она нужна в автомобиле

Все о раздаточной коробке: назначение, виды, неисправности

РБК
Индикатор планеты Индикатор планеты

Арктика – главный и наиболее чувствительный индикатор климатических изменений

Отдых в России
Не фантазия, а реальность: как фиджитал становится инструментом бизнеса Не фантазия, а реальность: как фиджитал становится инструментом бизнеса

Фиджитал становится для компаний важным инструментом для продвижения

Forbes
Средневековые жители Заполярья поели сырой головной мозг северных оленей Средневековые жители Заполярья поели сырой головной мозг северных оленей

Как средневековые обитатели Ямала могли заразиться гельминтами

N+1
7 вещей, которые нельзя мыть средством для окон, и 7, которые станут после него идеально чистыми 7 вещей, которые нельзя мыть средством для окон, и 7, которые станут после него идеально чистыми

Эта жидкость может больше, чем ты думаешь, но иногда ее лучше не использовать

VOICE
Зачем нужна астробиология? Зачем нужна астробиология?

Чем занимается астробиология, когда и как она выделилась в отдельную науку?

Знание – сила
Генная терапия сделала зрение людей с наследственной болезнью в 10 000 раз лучше Генная терапия сделала зрение людей с наследственной болезнью в 10 000 раз лучше

Специфическое заболевание амавроз Лебера научились лечить генной терапией

ТехИнсайдер
Дом всех итальянцев Дом всех итальянцев

Квиринальский дворец много раз переходил из рук в руки, но сохранял свой статус

Дилетант
Кто остановит испанского слизня Кто остановит испанского слизня

Какие методы борьбы существуют против инвазивного вредителя — испанского слизня

Наука
Двойные экспрессы Двойные экспрессы

В 2023–2024 на наших реках появились необычные суда – пассажирские катамараны

ТехИнсайдер
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
Бан и вылет. За какие проступки сурово наказывали футбольные клубы Бан и вылет. За какие проступки сурово наказывали футбольные клубы

Примеры, когда футбольный клуб вопреки игре вылетал или получал дисквалификацию

СНОБ
Всего пара кликов: как удалить браузер с компьютера Всего пара кликов: как удалить браузер с компьютера

Что нужно делать, чтобы полностью удалить разные браузеры с устройства

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
8 неожиданных фраз, которые разрушают вашего ребенка 8 неожиданных фраз, которые разрушают вашего ребенка

Почему некоторые даже самые привычные слова лучше не говорить детям

Psychologies
Открыть в приложении