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

Нина Хрущёва vs Джеки Кеннеди Нина Хрущёва vs Джеки Кеннеди

Встречались не только президенты, встречались и их жёны

Дилетант
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
Гибель Надежды Гибель Надежды

Популярные версии причины конфликта на банкете в кремлёвской квартире Ворошилова

Дилетант
Живу и радуюсь! Живу и радуюсь!

Удовольствие – это жизненная необходимость

Добрые советы
Инвестиции на автомате Инвестиции на автомате

Как устроены робоэдвайзеры и кому они нужны

Деньги
Гений без всяких оговорок Гений без всяких оговорок

Воспоминания современников о физиологе Иване Павлове и его личные высказывания

Наука
Проживание вдалеке от магазинов в детстве повысило риск ожирения в подростковом возрасте Проживание вдалеке от магазинов в детстве повысило риск ожирения в подростковом возрасте

Как ограниченный доступ к продуктам питания связан с развитием ожирения?

N+1
Кетодиета Кетодиета

Кетодиета остаётся предметом изучения и споров

Здоровье
Ржавое золото Ржавое золото

Автомобильные реликвии, которые обнаруживают слишком поздно

Men Today
«Гарри Поттер» и «Аббатство Даунтон»: лучшие роли Мэгги Смит «Гарри Поттер» и «Аббатство Даунтон»: лучшие роли Мэгги Смит

Лучшие перевоплощения Мэгги Смит, которая могла быть и серьезной, и смешной

Forbes
Респект Респект

Фотограф Максим Чуркин каждую съемку превращает в живопись музейного уровня

Собака.ru
Александр Лазарев: «Мастер и Маргарита» — это очень личное. Рукописи не горят...» Александр Лазарев: «Мастер и Маргарита» — это очень личное. Рукописи не горят...»

«В Театре Маяковского я родился, воспитывался, начал выходить на сцену»

Караван историй
Не навреди: чем может быть опасен гипноз Не навреди: чем может быть опасен гипноз

Какую опасность могут скрывать сеансы гипноза?

ТехИнсайдер
Откуда что пошло на флоте. Навигационные огни Откуда что пошло на флоте. Навигационные огни

Как на свет появились навигационные огни для опознания судов?

Наука и техника
Красавцы: плюсы, минусы, подводные камни Красавцы: плюсы, минусы, подводные камни

Красавцы демонизированы общественным мнением, но сколько в этом правды?

Новый очаг
Как нельзя использовать эфирные масла: 8 запретов, которые следует соблюдать Как нельзя использовать эфирные масла: 8 запретов, которые следует соблюдать

Можно ли навредить себе эфирными маслами?

VOICE
7 странных, но работающих способов найти себе пару 7 странных, но работающих способов найти себе пару

Подумать только, когда-то мы считали, что онлайн-знакомства — это странно!

VOICE
Всем — «Хорриот» Всем — «Хорриот»

С 1 сентября сельхозживотных нужно маркировать в обязательном порядке

Агроинвестор
Самые умные и самые богатые Самые умные и самые богатые

Кто такие кванты и почему за ними охотятся еще в университетах

ТехИнсайдер
Карты, деньги, два спеца Карты, деньги, два спеца

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

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Премудрость букв Премудрость букв

Чтобы прочесть текст на латыни или на церковнославянском, мало знать язык

Вокруг света
В Англии узнали секрет самого сильного человека Земли! Вот что нужно тренировать В Англии узнали секрет самого сильного человека Земли! Вот что нужно тренировать

Почему так важно развивать мышцы ног?

ТехИнсайдер
Другой фокус Другой фокус

Ольга Сутулова о детских комплексах и новой философии красоты

Новый очаг
Озоновый слой в этом году восстанавливается особенно быстро Озоновый слой в этом году восстанавливается особенно быстро

Ученые заметили, что дыра в атмосфере постепенно затягивается

ТехИнсайдер
Ученый Якимов рассказал, почему в России ужасные дороги Ученый Якимов рассказал, почему в России ужасные дороги

Можно ли в российских реалиях строить добротные долговечные дороги?

ТехИнсайдер
Елена Проклова: «Я имею право жить не так, как надо, а как хочу» Елена Проклова: «Я имею право жить не так, как надо, а как хочу»

Лена, какие-то утяжелители возьми, нельзя же так порхать по жизни

Коллекция. Караван историй
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
Что такое парасоциальные отношения и как они отразились на Чаппелл Рон и Тейлор Свифт Что такое парасоциальные отношения и как они отразились на Чаппелл Рон и Тейлор Свифт

Почему из-за социальных сетей люди чаще вовлекаются в парасоциальные отношения?

Forbes
Калифорния или Филадельфия? Узнайте, чем полезны и вредны суши для здоровья! Калифорния или Филадельфия? Узнайте, чем полезны и вредны суши для здоровья!

Какие риски для здоровья скрывают в себе наши любимые суши?

ТехИнсайдер
Владивосток: зрелища и смыслы Владивосток: зрелища и смыслы

Во Владике есть на что посмотреть и что оценить

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Открыть в приложении