Зачем астрохимия моделирует процессы, протекающие в межзвёздном пространстве?

Наука и жизньНаука

Периодический закон работает в масштабах Вселенной

Беседу ведёт Наталия Лескова.

Рисунок: Alexey Gomankov (based on work of Robert Hurt)/ Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

В межзвёздном пространстве, в суровых космических условиях протекают на удивление разнообразные химические процессы. Причём такие, что их сложно понять с точки зрения «земной» химии. Моделированием этих процессов занимается астрохимия, и не только теоретически, но и в лабораторных условиях.

Рассказывает доктор физико-математических наук Андрей Столяров, заведующий кафедрой лазерной химии химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

— Андрей Владиславович, вы заведуете кафедрой лазерной химии. Как лазеры помогают изучать химию звёзд?

— Образовалась наша кафедра тридцать с лишним лет назад, в конце 1980-х годов. Организовывал её профессор Юрий Яковлевич Кузяков, в то время декан химического факультета. Тогда были большие надежды на то, что с помощью лазера можно будет управлять химическими реакциями: делать их более селективными, целенаправленными, с хорошим выходом целевого продукта…

— Не получилось?

— Нет, к сожалению. Но другие направления оказались востребованы при изучении строения изолированных атомов и молекул, например атомно-молекулярная лазерная спектроскопия в газовой фазе. Метод очень хорош, он вытеснил остальные спектральные методы анализа. Информация о любой материи из космоса поступает исключительно путём спектрального анализа электромагнитного излучения. А молекулярная спектроскопия — наша основная специальность. Никакие другие аналитические методы, к которым мы привыкли на Земле, например, масс-спектрометрия, хромато-масс-спектрометрия, рентгеноструктурный анализ, — не реализуются при анализе удалённых космических объектов.

Андрей Владиславович Столяров.

— Астрохимия – достаточно молодая область исследований…

— Это так. Увлечение моё астрохимией началось почти случайно. В 2010 году физфак решил возродить курс общей и физической химии для своих студентов. Но на физическом факультете есть астрономическое отделение — астрономов там набирают специальной группой, и есть астрономический институт — ГАИШ, который их курирует. Астрономы сказали, что «обычная» химия им не очень интересна, так как в 99% случаев она не реализуется в космосе. Им нужна химия, которая имеет хоть какое-то реальное отношение к космосу. Профессор Вадим Вадимович Ерёмин, один из ведущих лекторов курса химии на физическом факультете, порекомендовал меня, зная, что я занимаюсь спектроскопией. О существовании астрохимии я ещё даже не подозревал, но мог предположить, о чём надо рассказывать астрономам. В кабинете у академика Анатолия Михайловича Черепащука, тогда директора ГАИШ, я познакомился с Дмитрием Зигфридовичем Вибе, узнал, что он занимается астрохимией, и с 2011 года мы совместно с ним читаем курс «Астрохимия — молекулы во Вселенной». Это межфакультетский курс для студентов «не-химиков». Довольно успешно читаем — приходят биологи, геологи, филологи, юристы, социологи. Такой общеобразовательный курс по выбору, который пользуется большим спросом. Но астрохимия — довольно молодая и специфическая наука, и людей, которые ею смогут заниматься, всегда будет очень мало. Она абсолютно мультидисциплинарная — нужно знать астрономию, физику, причём молекулярную, астрофизику, химию...

— А биологию?

— Может быть, и биологию, но, на мой взгляд, это пока в большей степени неоднозначная история — искать жизнь в космосе. Мы пока даже точно не знаем, как возникла жизнь на Земле. Искать что-то там, о чём мы вообще не имеем никакого представления, — слишком абстрактный подход, поэтому к астробиологии на данном этапе лично я отношусь довольно скептично. Хотя «предбиологические» молекулы, аминокислоты в космосе ищут и даже находят.

— Почему химики неохотно идут в астрохимию?

— У традиционной химии и астрохимии совершенно разное целеполагание: основная задача химии — синтез новых веществ и материалов, идеально с нужными и заранее заданными свойствами. В астрохимии вообще не ставится такой цели и задачи. Там, в космосе, что есть, то и есть. Но недостаточно просто обнаружить какую-нибудь молекулу в космосе, необходимо понять механизм её образования в неземных условиях — это, очевидно, другой, наверное, более фундаментальный аспект исследования. Всё-таки химия — прикладная наука, в основном работа руками. А в астрохимии вообще ничего нельзя сделать своими руками, остаётся только пассивно наблюдать. Отсюда происходит слово обсерватория — наблюдение. Иногда даже охватывает состояние полной безнадёжности. Чтобы найти что-то стоящее, надо заранее знать, что именно ты хочешь найти, чтобы это реально увидеть.

— А что вы хотите увидеть?

— Химические соединения, молекулы, которые бы подтвердили предполагаемые нами механизмы образования и пути модификации вещества во Вселенной. Одна из задач астрохимии — понять, как химически эволюционируют астрономические компоненты Вселенной в течение времени.

— Удалось ли что-то понять?

— С моей точки зрения, пока что есть только зачатки понимания. Важно совместить химическую эволюцию объекта с физической. Физическая эволюция — как звёзды появляются, как планеты образуются. Более или менее это понятно, хотя астрономы и астрофизики скажут, что у них тоже не всё в порядке и не всё понятно, но мне кажется, что у них есть больше надёжной наблюдательной информации.

При этом неизбежно происходит и химическая эволюция вещества, составляющего основу наблюдаемых астрономических объектов, ведь звёзды и межзвёздная среда — это материя, где в силу значительных вариаций внешних физических условий в течение долгого времени могут происходить сильные химические изменения. Одновременное сочетание химической эволюции с физической — глобальная задача современной астрохимии, и она является нерешённой на сегодняшний день. Есть отдельные попытки изучить химическую эволюцию некоторых областей космического пространства. Но чтобы установить неразрывную связь с физической эволюцией — такого ещё нет.

— Почему?

— Потому что это очень сложно. Сложно решить даже чисто физические уравнения движения, а накладывать на них дополнительно и химические реакции — отдельная задача, пока нерешаемая. А главное — у нас нет необходимой входной информации.

Вакуумная камера-«кастрюля» (без крышки), используемая для создания давления и химического состава, соответствующих земной атмосфере на различных высотах.

— Как же вы занимаетесь астрохимией, если нет информации?

— Нет полной информации, но всё-таки что-то уже известно. Астрохимию можно представить в виде трёх неразрывно связанных частей. Первая — наблюдательная: нужно регистрировать и отождествлять спектры, искать начальные, конечные и промежуточные соединения всевозможных астрохимических реакций. Задача сама по себе непростая: в космосе совсем другие физические условия по сравнению с Землёй, и это ещё одна из причин, почему трудно даются астрохимические исследования. К сожалению, наш земной химический опыт почти нерелевантен для открытого космоса. У нас большинство химических процессов происходит в жидкой фазе и в довольно узком интервале температур, а в космосе жидкости почти нет, и там либо очень холодно, либо очень жарко. Есть относительно немного твёрдой фазы, но в основном газообразная, причём сильно разреженная или в виде плазмы. Поэтому опыт осуществления обычных химических реакций — органических и неорганических — там никак не работает, и вещества, которые там образуются, на Земле часто вообще отсутствуют.

А в космосе они точно есть, так как мы регистрируем их спектры. Это очень активные с химической точки зрения частицы — радикалы и заряженные ионы (катионы и анионы). На Земле они тут же нейтрализуются и исчезают, вступая в химические реакции, а там им не с чем взаимодействовать, и они могут существовать продолжительное время, вполне достаточное для их спектральной регистрации. Их можно и нужно анализировать, пытаясь понять, как они устроены, но раз их нет на Земле, нам не с чем сравнивать их спектры. Поэтому одна из задач теоретической астрохимии — предсказывать спектры этих веществ.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие) За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие)

Задачи, которые стояли перед «Луной-25», никуда не делись. Их придётся решать

Наука и жизнь
Как установить приложения на телевизор со Smart TV Как установить приложения на телевизор со Smart TV

Как правильно установить стороннюю программу на телевизор?

CHIP
«Рано или поздно цивилизация начинает сходить с ума и уничтожает себя. Как мы сейчас» «Рано или поздно цивилизация начинает сходить с ума и уничтожает себя. Как мы сейчас»

Что такое экзопланеты? Как они были открыты? Может ли на них существовать жизнь?

Наука
Японцы в России? Что? Да! Чем хорош новый Subaru Outback Японцы в России? Что? Да! Чем хорош новый Subaru Outback

Обновленный модельный ряд Subaru Outback по-прежнему доступен в России

Maxim
Целительная сила «убойного» цветка Целительная сила «убойного» цветка

За какие целебные свойства ценят зверобой?

Наука и жизнь
Пора лезть на стену Пора лезть на стену

Паркур от первого лица

Men Today
Новогодний сюрприз Новогодний сюрприз

Борис Николаевич Ельцин был горазд на сюрпризы

Дилетант
Второе дыхание: как преодолеть «плато» в похудении? Второе дыхание: как преодолеть «плато» в похудении?

О природе «плато» и о том, как все-таки сдвинуть вес с мертвой точки

Правила жизни
Невозможное возможно Невозможное возможно

Зачем боящийся воды отчаянный исследователь преодолел тысячи километров?

Вокруг света
Основной инстинкт Основной инстинкт

Быть желанной хочет каждая. Но что такое «соблазнительность» на самом деле?

Лиза
Переплыть Амазонку и Ла-Манш: самые экстремальные заплывы в истории Переплыть Амазонку и Ла-Манш: самые экстремальные заплывы в истории

О пяти самых экстремальных заплывах в истории человечества

ТехИнсайдер
Двигатель Renault К4М: описание и характеристики Двигатель Renault К4М: описание и характеристики

Все о двигателе K4M: надежность, особенности, характеристики

РБК
Экспресс-диагностика Экспресс-диагностика

Простые тесты, которые помогут оценить здоровье и физическую форму

Лиза
В Кении нашли древнейшего австралопитека В Кении нашли древнейшего австралопитека

Как был обнаружен древнейший представитель рода австралопитеков

N+1
«Я вечно все порчу»: что такое ограничивающие убеждения и как они влияют на нашу жизнь «Я вечно все порчу»: что такое ограничивающие убеждения и как они влияют на нашу жизнь

Почему возникают ограничивающие убеждения и как с ними справиться?

Psychologies
«Дизайн-завод»: реинкарнация арт-кластера в Москве «Дизайн-завод»: реинкарнация арт-кластера в Москве

«Дизайн-завод»: как небольшое местечко в Москве превратилось в арт-район

Psychologies
«Неизвестное» плато «Неизвестное» плато

«Глаз», «Ступа», «Ромашка» и секреты Вилюйского плато

Наука и жизнь
Любовь Константинова: «Меня сопровождает стойкое убеждение: все будет по судьбе» Любовь Константинова: «Меня сопровождает стойкое убеждение: все будет по судьбе»

Всегда впускаю историю каждой своей героини максимально глубоко, под кожу

Коллекция. Караван историй
Куда приводят мечты (и стоит ли за ними следовать) Куда приводят мечты (и стоит ли за ними следовать)

Что будет, если позволить себе воплотить в жизнь давние желания?

Psychologies
Людмила Вебер: Нажимается кнопочка «выкл» — и ты оказываешься в полной темноте, в которой надо как-то учиться жить Людмила Вебер: Нажимается кнопочка «выкл» — и ты оказываешься в полной темноте, в которой надо как-то учиться жить

Художница Людмила Вебер — о том, что она пережила по ту сторону решетки

СНОБ
Шефы XXI века Шефы XXI века

На кухнях ресторанов все чаще можно встретить молодых шеф-поваров

Bones
6 книг о сексе в современном мире 6 книг о сексе в современном мире

Книги, которые помогут взглянуть на сексуальность с разных точек зрения

Psychologies
Фьюзинг: дедовский метод Фьюзинг: дедовский метод

Процесс создания красоты, «фьюзинг», — давняя и довольно традиционная технология

КАНТРИ Русская азбука
Валенки — большие и маленькие Валенки — большие и маленькие

Семья Соколовых больше двадцати лет валяет по старинной технологии валенки

КАНТРИ Русская азбука
Перегрелись: зачем останавливать глобальное потепление, если оно уже наступило Перегрелись: зачем останавливать глобальное потепление, если оно уже наступило

О том, как бороться с изменением климата, когда оно уже наступило

Forbes
На пути к миллиарду: Telegram исполняется 11 лет На пути к миллиарду: Telegram исполняется 11 лет

IT-аналитик Федор Скуратов — об эре Telegram

СНОБ
Времена года повлияли на моральные ценности американцев Времена года повлияли на моральные ценности американцев

Одобрения сплачивающих моральных ценностей зависит от времени года

N+1
Эрика: суровая крaсoта вереска Эрика: суровая крaсoта вереска

Белый, розовый, а может, фиолетовый? Эрика позволяет не мучиться с выбором

КАНТРИ Русская азбука
Сколько и как сегодня зарабатывают автомеханики в России Сколько и как сегодня зарабатывают автомеханики в России

Как разбогатеть, работая автомехаником в сервисном центре

РБК
Кого поставить в угол Кого поставить в угол

Взрослые глазами детей: у них тоже есть к нам обоснованные претензии!

Лиза
Открыть в приложении