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

Показ модной коллекции телогреек для работников сельской местности и военизированной охраны Показ модной коллекции телогреек для работников сельской местности и военизированной охраны

СССР, 1953 год. Модный показ телогреек

Дилетант
Почему так важно разъехаться с родителями вовремя? Почему так важно разъехаться с родителями вовремя?

Что мы теряем, продолжая жить под родительской крышей?

Psychologies
Консерватор и консервант Консерватор и консервант

От «рыцаря без страха и упрёка» до «цепного пса режима» и обратно

Дилетант
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
Быстрее поездá, выше напряжение – сильнее промышленность! Быстрее поездá, выше напряжение – сильнее промышленность!

Достоинства и недостатки двух основных систем тягового электроснабжения

Наука и техника
Таланты из России дорожают, легионеры дешевеют: как изменились цены на игроков РПЛ Таланты из России дорожают, легионеры дешевеют: как изменились цены на игроков РПЛ

Портал Transfermarkt обновил цены на игроков Российской премьер-лиги (РПЛ)

Forbes
Польза лаврового листа: 6 свойств Польза лаврового листа: 6 свойств

Зачем нужен лавровый лист и какими качествами он обладает

РБК
Во славу победы Во славу победы

Почему Храм Воскресения Христова и музей «Дорога памяти» стали знаковым местом

Отдых в России
Знаменитые споры и конфликты писателей Знаменитые споры и конфликты писателей

Литературный мир — арена для самых ярых словесных баталий

Maxim
Очевидные преимущества Очевидные преимущества

О яхтах Gulf Craft, оборудовании и технологиях, применяемых при их производстве

Y Magazine
«Обе две»: драмеди с Кристиной Асмус, в котором женщины переосмысляют материнство «Обе две»: драмеди с Кристиной Асмус, в котором женщины переосмысляют материнство

Фильм «Обе две»: душевный и откровенный разговор о том, что болит у многих

Forbes
Эксперименты на колесах: от передвижников до хоккейного роуд-шоу Эксперименты на колесах: от передвижников до хоккейного роуд-шоу

Как устроены «проекты на колесах», которые уже вошли в историю

Правила жизни
Как за минуту заточить ножницы: 5 лучших методов Как за минуту заточить ножницы: 5 лучших методов

Как правильно наточить ножницы в домашних условиях

ТехИнсайдер
Эффекта ноль Эффекта ноль

4 самые бесполезные косметологические процедуры — мнение врача

Лиза
Сделано в Питере. Сделано по-питерски… Сделано в Питере. Сделано по-питерски…

Как «питерский вайб» влияет на дизайн в бизнесе

Монокль
Гастромир изнутри Гастромир изнутри

Что делает гастросцену России такой уникальной и успешной?

Men Today
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
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
Инвестиции на автомате Инвестиции на автомате

Как устроены робоэдвайзеры и кому они нужны

Деньги
Где посмотреть современный арт в Казанском кремле Где посмотреть современный арт в Казанском кремле

Как в Казани старинные постройки получают новую жизнь и новые смыслы

Psychologies
Смартфон может влиять на бесплодие у мужчин? Узнайте простой ответ экспертов! Смартфон может влиять на бесплодие у мужчин? Узнайте простой ответ экспертов!

Как мобильные телефоны могут влиять на мужскую фертильность

ТехИнсайдер
Кто придумал Гамлета? Кто придумал Гамлета?

Гамлет, принц датский, впервые увидел свет задолго до Шекспира

Дилетант
Микробиота кишечника определяет социальное поведение Микробиота кишечника определяет социальное поведение

Какие гены участвуют в механизме взаимодействия мозга и кишечника?

Наука
Действительно ли люди под алкоголем говорят то, что у них на трезвом уме? Действительно ли люди под алкоголем говорят то, что у них на трезвом уме?

Считается, что пьяный человек говорит правду и только правду, но так ли это?

ТехИнсайдер
Портрет неизвестного Портрет неизвестного

Кто решает, какое произведение искусства называть шедевром?

СНОБ
Самые интересные фильмы, в которых на первый взгляд ничего не происходит Самые интересные фильмы, в которых на первый взгляд ничего не происходит

Неспешные картины, которые намного интереснее современных блокбастеров

Maxim
Девелопер широкого профиля Девелопер широкого профиля

Как «Мармакс» улучшает городское пространство Рязани

Монокль
От Библии до Хичкока: историк — о том, что скрывают культурные коды От Библии до Хичкока: историк — о том, что скрывают культурные коды

История осознания и становления собой через взаимодействие с мировой культурой

РБК
«Так живет большинство семей в России»: 4 типа невротичных пар «Так живет большинство семей в России»: 4 типа невротичных пар

Что такое невротичные отношения? Почему мы в них вступаем?

Psychologies
Пираты в юбке: 5 неочевидных вопросов про разбойничьих капитанш Золотого века пиратства Пираты в юбке: 5 неочевидных вопросов про разбойничьих капитанш Золотого века пиратства

​​​​​​​Как пираткам удавалось избежать виселицы, когда мужчины уже были обречены

ТехИнсайдер
Открыть в приложении