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

«Женщина, на паровоз!» «Женщина, на паровоз!»

Женщины-машинисты электропоездов: история запретов и разрешений

Дилетант
Что сделает вас успешным лидером? Эксперт рассказал, какой юмор нужно использовать! Что сделает вас успешным лидером? Эксперт рассказал, какой юмор нужно использовать!

Самоуничижение — полезный инструмент для людей, которые хотят получить внимание

ТехИнсайдер
Худой мир Худой мир

Переговоры сопровождались драматическими, а временами и курьезными эпизодами

Вокруг света
Человек стал вожаком птичьей стаи и ведет птиц по маршрутам миграции Человек стал вожаком птичьей стаи и ведет птиц по маршрутам миграции

Команда экологов Waldrappteam учит перелетных птиц находить пути миграции

ТехИнсайдер
Улучшение землепользования сделает сельское хозяйство углеродно-отрицательным к середине века Улучшение землепользования сделает сельское хозяйство углеродно-отрицательным к середине века

В 2050 мировой сельхозсектор может перейти к отрицательным углеродным выбросам

N+1
Не забудьте выключить телевизор: как пропаганда использует «темную психологию» Не забудьте выключить телевизор: как пропаганда использует «темную психологию»

Какими психологическими приемами чаще всего пользуются пропагандисты

Forbes
Ничего личного: как строительная корпорация США создавала советскую индустрию Ничего личного: как строительная корпорация США создавала советскую индустрию

Как американская компания Bechtel Corporation помогала строить СССР

Forbes
Наталия Селиверстова: «Олег Павлович Табаков всегда говорил, что нервы у артиста должны быть железные» Наталия Селиверстова: «Олег Павлович Табаков всегда говорил, что нервы у артиста должны быть железные»

Артисты драмы — люди действия. Так нас учили великие педагоги: решил — делай!

Коллекция. Караван историй
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
Родителям: как останавливать конфликты между сестрами и братьями Родителям: как останавливать конфликты между сестрами и братьями

Не усугубляете ли вы с помощью этих фраз конфликты между вашими детьми?

Psychologies
Эта девочка убедила своего парня убить и сжечь всю ее семью! История преступления в США Эта девочка убедила своего парня убить и сжечь всю ее семью! История преступления в США

Эрин Кэффи подстроила убийство семьи после запрета встречаться с парнем

ТехИнсайдер
Истина где-то рядом: как создавались культовые «Секретные материалы» Истина где-то рядом: как создавались культовые «Секретные материалы»

«Секретные материалы»: какое влияние оказал культовый сериал на индустрию?

Правила жизни
«Жалость губительна»: как помогают людям с таким диагнозом, как у Стивена Хокинга «Жалость губительна»: как помогают людям с таким диагнозом, как у Стивена Хокинга

Как выстроить эффективную систему помощи людям с болезнью БАС

Forbes
3 потребности, по которым можно распознать нарцисса в новом знакомом 3 потребности, по которым можно распознать нарцисса в новом знакомом

Как вычислить нарцисса на первом свидании?

Psychologies
Как правильно ухаживать за разделочными досками Как правильно ухаживать за разделочными досками

Поддержание досок в идеальном состоянии  — это не просто прихоть «красоты»

ТехИнсайдер
Ушла за цветами для мамы и пропала без вести: загадочное дело Марджори Уэст Ушла за цветами для мамы и пропала без вести: загадочное дело Марджори Уэст

Малышка по имени Марджори Уэст таинственно исчезла в лесах Пенсильвании

ТехИнсайдер
Филипп Чижевский: Человек без специального образования зачастую воспринимает музыку острее, чем искушенный слушатель Филипп Чижевский: Человек без специального образования зачастую воспринимает музыку острее, чем искушенный слушатель

Дирижер Филипп Чижевский — о музыке, путешествиях и эмоциях

СНОБ
Самые умные и самые богатые Самые умные и самые богатые

Кто такие кванты и почему за ними охотятся еще в университетах

ТехИнсайдер
Фантазии на тему любви Фантазии на тему любви

Функциональный и удобный интерьер в соответствии с духом времени

Идеи Вашего Дома
Что значит на подростковом языке слово «эщкере»? Что значит на подростковом языке слово «эщкере»?

Почему подростки используют сленговые слова?

Psychologies
Хорошо-то как! Хорошо-то как!

Как получать удовольствие от жизни всегда и просто так?

Добрые советы
Чем опасен секонд-хенд? Чем опасен секонд-хенд?

Любителям секонд-хенда не стоит расслабляться: вот несколько его опасностей

Здоровье
Не хочу быть зависимой Не хочу быть зависимой

Что делать, если лекарство из средства экстренной помощи становится постоянным

Лиза
Один раз, еще не жена Один раз, еще не жена

Однажды я провел за два года три свадьбы у одной и той же невесты!

Men Today
Чистоплотный, примерный семьянин и настоящий пловец: 12 впечатляющих фактов об образе жизни дикобразов Чистоплотный, примерный семьянин и настоящий пловец: 12 впечатляющих фактов об образе жизни дикобразов

Как дикобразы обустраивают своё жилище? Какие у них отношения в семье?

ТехИнсайдер
«Пума на охоте»: почему женщин критикуют за выбор мужчин младше себя «Пума на охоте»: почему женщин критикуют за выбор мужчин младше себя

Откуда взялись стереотипы о возрасте в паре

Forbes
Что сильнее губит экологию: электрокары или двигатели внутреннего сгорания Что сильнее губит экологию: электрокары или двигатели внутреннего сгорания

С ростом популярности электромобилей появляются сомнения насчет их экологичности

Maxim
Таинственный организм, обнаруженный в озере Моно, может переписать историю жизни Таинственный организм, обнаруженный в озере Моно, может переписать историю жизни

Ученые обнаружили в озере Моно новый вид одноклеточных организмов

ТехИнсайдер
Скрытый гипноз Скрытый гипноз

Как защититься от мошенников, которые умеют «заговаривать»

Лиза
Свет клином Свет клином

Где роковая точка невозврата у зависимости и кому стоит быть осторожнее?

Psychologies
Открыть в приложении