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

Ареопаг против Хрущёва Ареопаг против Хрущёва

Властная элита СССР, которая тяжело поддавалась либерализации и реформаторству

Дилетант
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
Эпохальное восьмилетие Эпохальное восьмилетие

Какой была «ельцинская эпоха» независимой России?

Дилетант
Генетики выделили ДНК из семи неандертальских зубов из пещеры Стайня Генетики выделили ДНК из семи неандертальских зубов из пещеры Стайня

С кем по материнской линии связаны неандертальцы из пещеры Стайня?

N+1
Жили-были Жили-были

История наших героев похожа на сказку, но завязка в ней совсем иная

Seasons of life
«Плохая девочка»: как Николь Кидман учит женщин не бояться собственных желаний «Плохая девочка»: как Николь Кидман учит женщин не бояться собственных желаний

«Плохая девочка»: фильм о женщине, которая учиться жить в мире с самой собой

Forbes
Природная связь Природная связь

Как общаются существа, у которых нет мозга и вообще нервной системы?

Вокруг света
Елизавета Базыкина Елизавета Базыкина

24-летняя звезда Театра на Бронной Елизавета Базыкина — артистка новой формации

Собака.ru
Утро у ворот Лувра Утро у ворот Лувра

В1570 году Карл IX подписал Сен-Жерменский мир, прекративший Третью войну

Дилетант
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
Очевидные преимущества Очевидные преимущества

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

Y Magazine
Какой пассажирский самолет самый большой в мире Какой пассажирский самолет самый большой в мире

Почему громадина и красавец Airbus A380 — лайнер тяжелой судьбы

Maxim
Правильные слова Правильные слова

Сегодня наш язык снова меняется. Действительно ли он при этом портится?

Вокруг света
Как работает измельчитель отходов, и с чем он может справиться Как работает измельчитель отходов, и с чем он может справиться

Измельчитель отходов: заглянем внутрь и разберемся в принципе его действия

CHIP
5 вещей, которые нужно стирать в горячей воде, и 5 вещей, которые терпят только холодную. Не перепутай! 5 вещей, которые нужно стирать в горячей воде, и 5 вещей, которые терпят только холодную. Не перепутай!

Какие вещи стоит стирать в горячей воде, а какие лучше оставить для холодной

VOICE
«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
Почему страшно быть счастливым? Почему страшно быть счастливым?

Почему многие неосознанно избегают своего счастья?

Здоровье
Весна длиною в полгода Весна длиною в полгода

Воспоминания, как август 1968-го окончательно положил конец «оттепели»

Дилетант
В геноме кроманьонского ребенка из итальянской пещеры нашли признаки инбридинга В геноме кроманьонского ребенка из итальянской пещеры нашли признаки инбридинга

Ученые изучили останки ребенка из погребения в итальянской пещере Мура

N+1
Путешествия Путешествия

Уникальные локации, эталонный сервис и необычные предложения в отелях мира

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Диана Арбенина: «Книги как хлеб, их надо нюхать!» Диана Арбенина: «Книги как хлеб, их надо нюхать!»

Диана Арбенина — о возрасте, творчестве и отношениях с матерью

СНОБ
«Прогноз погоды на сто лет. Как меняется климат Земли и что с этим делать» «Прогноз погоды на сто лет. Как меняется климат Земли и что с этим делать»

Как изменение температуры приводит в движение экосистемы

N+1
Почему даже опытного предпринимателя легко обмануть и можно ли с этим бороться Почему даже опытного предпринимателя легко обмануть и можно ли с этим бороться

Почему люкс загоняет нас в психологическую ловушку?

Forbes
Дело Дурова: где право и ключи? Дело Дурова: где право и ключи?

Что же французам было нужно от Павла Дурова на самом деле?

Монокль
Как архитектор Олег Карлсон оказался спасителем артхаусного театра в Москве Как архитектор Олег Карлсон оказался спасителем артхаусного театра в Москве

«От барака до барокко»: как архитектор Олег Карлсон преобразовал театр

Forbes
It depends It depends

Полина Гагарина с психологом о зависимостях, испытывающих нас и наших детей

Psychologies
Японские боги — 5 современных архитекторов из Страны восходящего солнца Японские боги — 5 современных архитекторов из Страны восходящего солнца

5 японских архитекторов, ради которых стоит отправиться в далекое путешествие.

СНОБ
Вы поразитесь, сколько людей проживало в Древней Греции! Узнайте интересные факты Вы поразитесь, сколько людей проживало в Древней Греции! Узнайте интересные факты

Можно ли оценить население Древней Греции?

ТехИнсайдер
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
Сейчас напишут Сейчас напишут

Как бьюти-блогеры меняют индустрию красоты и за что им бывает стыдно

Новый очаг
Открыть в приложении