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

По одной квитанции… По одной квитанции…

Майор ГБ Сергей Шпигельглаз — одна из самых мрачных фигур чекистского пантеона

Дилетант
Быть женщиной Быть женщиной

Основательница бренда OLOLOL — как опыт в бизнесе помогает строить модный бренд

Grazia
«Я буду твоим цензором!» «Я буду твоим цензором!»

Эпоха Николая I — время закручивания цензурных гаек

Дилетант
«Отряд Икс: Секретные еврейские коммандос во Второй мировой войне» «Отряд Икс: Секретные еврейские коммандос во Второй мировой войне»

Какая задача стояла перед секретными еврейскими коммандос в операции «Юбилей»

N+1
История прямохождения. Отрывок из книги палеоантрополога «Первые шаги» История прямохождения. Отрывок из книги палеоантрополога «Первые шаги»

Отрывок из книги о том, как и почему люди стали прямоходящими

СНОБ
Тайна Ивана Павлова Тайна Ивана Павлова

Аспекты научной биографии Ивана Павлова, которые обычно остаются за кадром

Знание – сила
Со всей русской безысходностью Со всей русской безысходностью

Как лучшая картина Василия Перова отразила особенности национального запоя

Weekend
Музыка жизни Музыка жизни

В музыкальных звуках таится великая сила. Они развивают речь и не только

Лиза
Всем — «Хорриот» Всем — «Хорриот»

С 1 сентября сельхозживотных нужно маркировать в обязательном порядке

Агроинвестор
Домашняя палитра. Как правильно подобрать цвет стен для гармонии в интерьере Домашняя палитра. Как правильно подобрать цвет стен для гармонии в интерьере

Чтобы избежать ошибок, нужно учесть некоторые правила в подборе цвета интерьера

Лиза
Вес попутал Вес попутал

Росина Сефиен – о том, как одеваться, если ты плюс-сайз

VOICE
«Полевые биологи в лицах» «Полевые биологи в лицах»

Каково изучать мант в естественной среде обитания

N+1
Сериал «Наследники» наяву: дети Руперта Мердока ведут борьбу за медиаимперию Сериал «Наследники» наяву: дети Руперта Мердока ведут борьбу за медиаимперию

Подробности скандала в духе сериала «Наследники» от HBO

СНОБ
Эксперт по продажам — о RFM-сегментации и бизнес-конкурсах Эксперт по продажам — о RFM-сегментации и бизнес-конкурсах

Как выправить ситуацию в «проседающей» компании

РБК
Старый фотоальбом: почему мы стремимся к теплым отношениям, а в итоге замерзаем от холода? Старый фотоальбом: почему мы стремимся к теплым отношениям, а в итоге замерзаем от холода?

Как наши паттерны снова и снова заставляют менять маршрут в отношениях

Psychologies
Почему мужчине не стоит мыть голову шампунем своей девушки Почему мужчине не стоит мыть голову шампунем своей девушки

Зачем мужчинам своя косметика, неужели у них другая кожа?

Maxim
Что такое склонность к подтверждению своей точки зрения: примеры и причины появления Что такое склонность к подтверждению своей точки зрения: примеры и причины появления

Что такое предвзятость подтверждения и как она влияет на нас

Psychologies
Шутки в сторону. Почему «Джокер: Безумие на двоих» одновременно и разочарование, и удача? Шутки в сторону. Почему «Джокер: Безумие на двоих» одновременно и разочарование, и удача?

«Джокер: Безумие на двоих»: фильм, который одновременно восхищает и раздражает

Правила жизни
Человек, изменивший все: как Дон Гарбер превратил МЛС в турнир с доходом в $2 млрд Человек, изменивший все: как Дон Гарбер превратил МЛС в турнир с доходом в $2 млрд

Дон Гарбер и его уникальный дар видеть возможности там, где другие отчаились

Forbes
Григорий Сергеев: Ищу человека Григорий Сергеев: Ищу человека

История-поиск о тех, кто потерялся и нашел (в том числе себя)

Maxim
«Все полюбили лицо, а не искусство»: Егор Зайцев — о Борисе Рыжем «Все полюбили лицо, а не искусство»: Егор Зайцев — о Борисе Рыжем

Борис Рыжий: понимаем ли мы, что стоит за любимым лирическим героем?

РБК
Оттолкнуться от дна Оттолкнуться от дна

Из-за чего могут исчезнуть десятки российских рек?

Наука
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
Вышиванка Вышиванка

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

Дилетант
Разворот к человечности Разворот к человечности

Выход из социально-политического кризиса лежит в новом взгляде на человека

Монокль
Учимся у лучших! Узнайте правила и этикет британской королевской семьи Учимся у лучших! Узнайте правила и этикет британской королевской семьи

Вот что нужно учесть, чтобы следовать правилам британского королевского этикета

ТехИнсайдер
Эффект Расемона: что это означает и как с ним бороться Эффект Расемона: что это означает и как с ним бороться

Эффект Расемона: разбираем происхождение термина и причины этого феномена

Psychologies
Вредность или расчет? Зачем дальнобойщики едут так близко друг к другу, мешая обгону Вредность или расчет? Зачем дальнобойщики едут так близко друг к другу, мешая обгону

Почему дальнобойщики не держат дистанцию, мешая другим машинам?

ТехИнсайдер
Точки над ИИ: почему не вся автоматизация одинаково полезна Точки над ИИ: почему не вся автоматизация одинаково полезна

Чего стоит погоня за технологичностью, почему ИИ пока не может заменить человека

Forbes
Сейчас напишут Сейчас напишут

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

Новый очаг
Открыть в приложении