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

Лавка древностей Лавка древностей

Дары Чижевского подворья, большой шлем «англосаксов» и мезозавр из Уругвая

Знание – сила
Загадки русского языка: почему есть лето бабье, но нет мужичьего? Загадки русского языка: почему есть лето бабье, но нет мужичьего?

Почему лето называется именно бабьим?

ТехИнсайдер
Экспансия из рая Экспансия из рая

Кто первым и зачем покинул океан

Вокруг света
Успеть за 24 часа Успеть за 24 часа

Гид по Москве. Программа-минимум для тех, кто первый раз в столице

Лиза
Девятое искусство Девятое искусство

Французы и бельгийцы росли на комиксах до того, как это стало мейнстримом

Вокруг света
«Гарри Поттер» и «Аббатство Даунтон»: лучшие роли Мэгги Смит «Гарри Поттер» и «Аббатство Даунтон»: лучшие роли Мэгги Смит

Лучшие перевоплощения Мэгги Смит, которая могла быть и серьезной, и смешной

Forbes
Бегство от реальности: 4 истории детского и подросткового эскапизма Бегство от реальности: 4 истории детского и подросткового эскапизма

Истории детей и подростков, которые примеряют на себя образы животных

СНОБ
Все побежали — и я побежал: кому нужны онлайн-марафоны, а кому они только навредят Все побежали — и я побежал: кому нужны онлайн-марафоны, а кому они только навредят

Почему не стоит верить марафонам желаний?

VOICE
Четыре «нет»: почему женщины в Южной Корее отказываются от отношений с мужчинами Четыре «нет»: почему женщины в Южной Корее отказываются от отношений с мужчинами

Почему женщины из Южной Кореи не выходят замуж и не заводят детей?

Forbes
Что такое парасоциальные отношения и как они отразились на Чаппелл Рон и Тейлор Свифт Что такое парасоциальные отношения и как они отразились на Чаппелл Рон и Тейлор Свифт

Почему из-за социальных сетей люди чаще вовлекаются в парасоциальные отношения?

Forbes
Маленькая мисс Одиннадцать: как Милли Бобби Браун добивается успеха в кино и бизнесе Маленькая мисс Одиннадцать: как Милли Бобби Браун добивается успеха в кино и бизнесе

Как Милли Бобби Браун удалось не стать заложницей одной роли?

Forbes
«Смешные» упражнения помогли при синдроме сухого глаза «Смешные» упражнения помогли при синдроме сухого глаза

«Смешные» упражнения эффективно облегчают симптомы синдрома сухого глаза

N+1
5 важных советов как настроить смартфон для родственников старшего поколения 5 важных советов как настроить смартфон для родственников старшего поколения

Несложные настройки, чтобы обезопасить старшее поколение от риска потери гаджета

CHIP
Как не дать детям от первого брака разрушить семью: 5 ситуаций Как не дать детям от первого брака разрушить семью: 5 ситуаций

Знакомо ли вам такое понятие, как «лоскутная» семья?

Psychologies
«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
Как простить родителей за детские травмы? Как простить родителей за детские травмы?

Как простить родителей за детские травмы и как это облегчит нашу жизнь?

Psychologies
На пике тренда На пике тренда

Где приобщиться к моде на летний отдых на горнолыжных курортах?

Men Today
Ананас Ананас

Ради чего человек готов пойти на кражу, даже если на него смотрит Бог?

СНОБ
Яхта особого назначения Яхта особого назначения

Давайте посмотрим, что такого особенного в суперъяхте Eternal Spark

Y Magazine
Если это не любовь, то что? Если это не любовь, то что?

Почему для некоторых из нас близкие отношения становятся источником стресса?

Psychologies
BrahMos – самое могущественное оружие сдерживания Индии BrahMos – самое могущественное оружие сдерживания Индии

Непростой процесс совершенствования ракеты BrahMos

Обозрение армии и флота
«Каждый кризис открывает нам новые возможности» «Каждый кризис открывает нам новые возможности»

Людмила Михайлова о плюсах вертикальной интеграции бизнеса и миссии «Черкизово»

Агроинвестор
Энергия для жизни Энергия для жизни

Комфортное, уютное и стильное пространство, способствующее релаксации

Идеи Вашего Дома
3 роли, которые вынужденно играют дети в семье родителей-нарциссов 3 роли, которые вынужденно играют дети в семье родителей-нарциссов

«Золотой ребенок», «козел отпущения» — роли детей в семье нарциссов

Psychologies
А зима не за горами… А зима не за горами…

Для консервации яхты на зиму необходимо выполнить несколько важных действий

Y Magazine
Voyager включил двигатели, которые не использовал 44 года: они все еще работают! Voyager включил двигатели, которые не использовал 44 года: они все еще работают!

Как инженеры NASA умудряются продлить работу космического аппарата Voyager

ТехИнсайдер
Как выбрать фото для сайта знакомств, чтобы удачно выйти замуж: 13 рекомендаций Как выбрать фото для сайта знакомств, чтобы удачно выйти замуж: 13 рекомендаций

Какие фото привлекут достойных кандидатов в дейтинговых приложениях?

Psychologies
От любви до ненависти и обратно От любви до ненависти и обратно

Советская интеллигенция возмутилась разносами, которые Хрущёв устроил художникам

Дилетант
Стреляющая камера на защите вашего дома: безумные изобретения и открытия со всего мира Стреляющая камера на защите вашего дома: безумные изобретения и открытия со всего мира

Самые необычные изобретения и шокирующие открытия ученых со всего света

ТехИнсайдер
Откуда берется пассивная агрессия на работе: 3 сценария Откуда берется пассивная агрессия на работе: 3 сценария

Коллега говорит одно, а делает другое? Проходит мимо и не здоровается?

Psychologies
Открыть в приложении