Чем занимается астрохимия, когда и как она выделилась в самостоятельную науку

Знание – силаНаука

Зачем нужна астрохимия?

О том, чем занимается астрохимия, когда и как она выделилась в самостоятельную науку, мы говорим с Валерием Ивановичем Шематовичем, заведующим отделом исследований Солнечной системы Института астрономии РАН, доктором физико-математических наук.

«Знание – сила»: Валерий Иванович, долгое время была наука астрономия, в прошлом веке к ней добавилась в качестве самостоятельного направления исследований астрофизика, то есть физика, связанная со звездами, межзвездной средой. Сейчас довольно часто упоминают астрохимию и астробиологию. Если начать с астрохимии, это уже самостоятельное направление научных исследований, вполне самодостаточное?

Валерий Шематович: В принципе да. С этим можно согласиться. Международный астрономический союз давно уже проводит симпозиумы по астрохимии. Симпозиум МАС № 178 «Молекулы в астрофизике: пробы и процессы», на котором я присутствовал в 1996‑м, проходил в Лейдене, и это был уже третий симпозиум МАС по астрохимии. А в 2023 году был проведен восьмой симпозиум МАС по астрохимии.

Что такое астрохимия с формальной точки зрения? Это изучение химических процессов в астрофизических средах.

«ЗС»: Это и звезды, и межзвездные облака?

В. Ш.: Тут требуется уточнение. До астрохимии уже были космохимия и молекулярная астрофизика. Три самостоятельных направления исследований. Они во многом пересекаются. И поэтому сказать, что вот эта область относится только к астрохимии, сложно. Классические астрофизики частенько говорят: ну что вы нам опять про астрохимию? Есть молекулярная астрофизика, то есть астрофизика, которая описывает процессы образования молекул. А молекулы интересны тем, что они светят на низких уровнях энергии. И, в общем, на низких частотах, поставляя таким образом информацию об условиях в холодных областях межзвездной среды.

«ЗС»: Не только светят, еще линии поглощения могут давать, если на просвет.

В. Ш.: И светят, и линии поглощения дают. Поэтому от них можно получить информацию о холодных областях и нашей галактики, и Вселенной, по большому счету. Потому что, когда мы смотрим излучение атомов, то это преимущественно излучение с уровней с высокой энергией возбуждения, это либо оптический диапазон, либо ультрафиолет. А молекулы интересны тем, что они приносят информацию о температуре и скорости в межзвездных облаках. Для физиков самое интересное прежде всего не концентрация, а именно температура и скорость. Еще в астрофизике важную роль играет спектроскопия: мы видим те излучения, которые приходят к нам и наблюдаются с помощью телескопов. По ним можно судить о том, какой химический состав у астрофизического объекта, который мы изучаем. Что касается космохимии, ею у нас занимается Институт геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН, который является одним из законодателей моды в космохимии. Это изучение химического состава различных космических тел, прежде всего метеоритов, которые упали на Землю. Собственно, этим и занимаются космохимики. Они в лаборатории изучают состав, т. к. у них уже есть объект, они держат его в руках.

«ЗС»: Получив экспериментальные данные, они пытаются объяснить, как возник такой состав?

В. Ш.: Да. С накоплением информации понемногу стало ясно, насколько сложен с химической точки зрения – есть такой термин «химическое разнообразие», – насколько сложен тот внешний мир, ближний и дальний космос, который мы наблюдаем. Говоря о ближнем космосе, я имею в виду Солнечную систему. Та же астрохимия для Солнечной системы «работает», и космохимия, и молекулярная астрофизика – тоже.

«ЗС»: Они пересекаются, эти три научных направления, но тем не менее они все-таки более-менее самостоятельны?

В. Ш.: У них есть свои критические точки. Скажем, то, что нам не могут дать космохимия либо молекулярная астрофизика, дает астрохимия.

«ЗС»: Как возникает химическое разнообразие космоса? Благодаря химическим процессам?

В. Ш.: Вопрос, какие реакции, какие химические процессы? Мы все помним, что раньше предполагалось, будто космос холодный и пустой, потому что есть очень жесткие излучения, которые не позволяют существовать никакому химическому разнообразию. Атомы есть, галактические космические лучи, и не более того. Где-то с 30‑х годов прошлого столетия, когда методы радионаблюдений стали формироваться, а спектроскопия работала в основном на атомных спектрах, появились первые данные о молекулах. Нашли CH – метилидин, самые простые двухатомные молекулы. Позже мы узнали, что весь космос, все окружающее нас вещество, – это преимущественно водород, либо атомарный, либо молекулярный. Как только мы имеем дело с холодной средой, значит, молекулярный. Это гомо-ядерная молекула, и она не светит. Кроме линии 21 сантиметр. Поэтому нам сложно наблюдать и такие молекулы как Н2, О2, N2. Нам интересны полярные молекулы, когда есть некое направление, вращение вокруг которого сопровождается излучением фотонов с очень низкими энергиями. Самый классический пример – СО, угарный газ, являющийся довольно обильной молекулой в межзвездной среде, у него самый низкий вращательный переход соответствует температуре всего лишь в несколько градусов Кельвина. И это нам позволяет видеть очень холодные области светимости. К счастью, эта молекула оказалась довольно обильной.

«ЗС»: Но это в радиодиапазоне?

В. Ш.: Да. При таких температурах может быть только радиодиапазон. Продолжим разговор об астрохимии. Стоит упомянуть двух американских ученых, один из них – химик по образованию, Эрик Хербст (род. 1946), а второй – астрофизик Александр Далгарно (1928—2015). Мне посчастливилось встречаться на симпозиумах по астрохимии с обоими. Кстати, Уильям Клемперер, руководитель Эрика Хербста, тоже астрофизик. Ими были опубликованы в 1973 году статьи, где впервые была предложена химическая модель молекулярных облаков, модель химического разнообразия тех темных областей межзвездной материи, где возникают звезды. Они создали первые химические модели, которые были относительно простыми. Важно было поймать энергетический «драйвер», если можно так выразиться. Потому что химия может протекать, только когда у вас есть приток энергии. Если у вас нет притока энергии, то химия поработает и в какое-то равновесное или неравновесное состояние придет. Оказалось, что в основном молекулы наблюдали в холодных областях, хотя и в звездах видят простейшие молекулы, но более-менее сложные молекулы видят в холодных, так называемых темных молекулярных облаках. А эти объекты очень интересны, потому что там рождаются звезды, там возникают протопланетные диски и планетные системы. Современная астрохимия как раз начинает свою работу в этой области. Хербст и Далгарно предложили первые химические модели для холодных и темных молекулярных облаков в 1973‑м, а за последующие 20 лет успел появиться довольно большой объем информации о химическом разнообразии межзвездных облаков. Исследованиями занялось немало людей, пришедших из химии, которые знают, как протекают химические процессы. Среда очень холодная, энергии очень мало. В основном энергия приходила от галактических космических лучей, либо там, где молодые звезды рождались, имелось ультрафиолетовое излучение. Но ультрафиолетовое излучение опасно тем, что оно и вполне эффективно разрушает молекулы. По мере того, как совершенствовались радио- и ИК-телескопы, как их удавалось вынести в открытый космос, чтобы избежать влияния нашей земной атмосферы, получались все более интересные данные. Потому что земная атмосфера, к сожалению, поглощает излучение самой интересной молекулы, а именно, молекулы воды. Есть целое направление в астрохимии, которое изучает образование молекул воды в разных объектах. По понятным причинам это уже важно для астробиологии – зачем молекулы воды как таковые? Но об этом позже.

И вот за 20 лет произошло становление астрохимии. Пришли специалисты по наблюдениям, радионаблюдениям. Для качественных радионаблюдений необходим некоторый уровень совершенства техники – детекторов, усилителей и так далее. То есть своя достаточно продвинутая наука. Пришли химики, которые знают, как протекают реакции, как это считать вообще, какие для расчетов молекулярные данные нужны. И пришли математики, которые знают, как с такими системами работать. Химические системы, они всем хороши, но они с точки зрения математики очень жесткие, нелинейные. То есть вы красивую химическую схему нарисовали, как все должно работать, но появляется маленькая примесь, и ваша химия начинает давать совершенно другие результаты, становится неустойчивой и так далее. Поэтому нужно математически правильно все решать. (Я вот как раз представитель математики, который был вовлечен в астрохимию). Ну и плюс ко всему астрофизики, естественно, которые должны определить, в каких объектах какие характерные температуры, какие плотности.

Основное отличие астрохимии от лабораторной химии в том, что в астрохимии химические процессы протекают на очень больших масштабах времени. Так, например, в молекулярном облаке образуются так называемые дозвездные ядра, в которых должны рождаться звезды. Известно из наблюдений, что в этих дозвездных ядрах температура около и ниже 10 Кельвинов, плотность 10 тысяч частичек в кубическом сантиметре. У нас не всегда получается на лабораторных установках такого вакуума достичь. А уж для температуры в 10 Кельвинов нужно столько жидкого гелия извести, чтобы охладить систему… То есть в лаборатории воспроизвести такие условия очень непросто. Есть только несколько лабораторных установок в мире, которые позволяют воспроизвести такие условия, но даже не по плотности, а чтобы померить хотя бы скорости химических реакций при таких низких температурах. Собственно, поэтому часто используются теоретические оценки параметров химических реакций при 10 Кельвинах, но всегда требуется подтверждение в лаборатории, что и является одной из актуальных задач уже лабораторной астрохимии. Вот для скоростей химических реакций при 300 Кельвинов – комнатной температуре – есть большая база данных.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Триумф и падение Триумф и падение

Александр был уверен, что проживет долго, как подобает «божественному» царю

Знание – сила
Самые интересные фильмы, в которых на первый взгляд ничего не происходит Самые интересные фильмы, в которых на первый взгляд ничего не происходит

Неспешные картины, которые намного интереснее современных блокбастеров

Maxim
Михаил Пиотровский: «Заставляем людей думать» Михаил Пиотровский: «Заставляем людей думать»

Как принималось решение, касающееся эрмитажного экспоната? Чем живёт Эрмитаж?

Дилетант
Как вычислить нарцисса по переписке: 7 тревожных звоночков Как вычислить нарцисса по переписке: 7 тревожных звоночков

Как распознать, что вы переписываетесь с нарциссом? Вот семь признаков

Psychologies
Битва за каждую яхту Битва за каждую яхту

Кирилл Шабалов о том, что происходит на российском брокеражном рынке

Y Magazine
4 примера незаметной лжи, которая разрушает отношения 4 примера незаметной лжи, которая разрушает отношения

Четыре примера незаметной лжи в отношениях

Psychologies
Гений, миллиардер, плейбой: уроки пикапа от Илона Маска Гений, миллиардер, плейбой: уроки пикапа от Илона Маска

Как сделать так, чтобы на тебя обратили внимание? Учит Илон Маск

Maxim
Ультануть перед подростком: какие слова нужно выучить, чтобы понимать поколение альфа Ультануть перед подростком: какие слова нужно выучить, чтобы понимать поколение альфа

Как ультануть перед ребенком и почему вайб теперь может оказаться с минусом

Forbes
До выхода полчаса: как быстро высушить одежду, если она срочно нужна? До выхода полчаса: как быстро высушить одежду, если она срочно нужна?

Несколько действенных способов, как быстро высушить вещи

ТехИнсайдер
Утолить кадровый голод Утолить кадровый голод

Как бизнес в России решает вопрос подготовки специалистов

Монокль
Как наладить общение с родителями партнера: 6 правил Как наладить общение с родителями партнера: 6 правил

Как партнеру наладить контакт с вашей семьей?

Psychologies
Синдром домохозяйки: истерия, депрессия, алкоголизм Синдром домохозяйки: истерия, депрессия, алкоголизм

Что такое синдром домохозяйки — рассказывает юнгианский психолог

Psychologies
Через горы к морю Через горы к морю

Как грамотно пройти маршрут номер восемь в Кавказском биосферном заповеднике

Отдых в России
Носить или не носить: правда ли, что ношение очков ослабляет зрение? Носить или не носить: правда ли, что ношение очков ослабляет зрение?

Ношение очков может еще больше ослабить зрение. Так ли это?

ТехИнсайдер
Творческий поток: почему лучшие идеи приходят к нам в самых неожиданных ситуациях Творческий поток: почему лучшие идеи приходят к нам в самых неожиданных ситуациях

Что такое «блуждание ума» и почему оно помогает найти неожиданные решения

Forbes
«Ложись!»: что делать, если вздулась банка с солеными огурцами «Ложись!»: что делать, если вздулась банка с солеными огурцами

Как устранить проблему вздутой крышки, пока банка еще не взорвалась

ТехИнсайдер
Подменная машина Подменная машина

BAIC BJ40 выглядит так, будто приехал к нам из прошлого тысячелетия

Автопилот
9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей 9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей9 уникальных комнатных растений, которые украсят дом и удивят гостей

У комнатных растений много суперсил

VOICE
Инь-ян Инь-ян

Что означает древний символ инь-ян и как применять его силу на практике

Лиза
Что такое айран и чем он полезен Что такое айран и чем он полезен

Айран — турецкий напиток, полюбившийся во всем мире

РБК
Мамина гордость: как властная мать почти разрушила карьеру звезды сборной Франции Мамина гордость: как властная мать почти разрушила карьеру звезды сборной Франции

Как родственные связи могут погубить карьеру звездного спортсмена Рабьо

Forbes
Большие перемены Большие перемены

20 фактов, которые должны знать папа и мама первоклассника (и не только)

Men Today
Почему пьяные водители могут выжить после смертельного ДТП? Узнайте интересные факты Почему пьяные водители могут выжить после смертельного ДТП? Узнайте интересные факты

Почему пьяные водители часто выживают в авариях?

ТехИнсайдер
«Больше нуждается в евреях, чем в пекарях»: как разные народы уживались в Венеции «Больше нуждается в евреях, чем в пекарях»: как разные народы уживались в Венеции

Глава из книги «Венеция. История воды и суши»

Forbes
Почему Ozempic подходит не каждому Почему Ozempic подходит не каждому

Почему Ozempic не может подойти всем, и вопрос вовсе не в высокой стоимости

ТехИнсайдер
Шведские роботы против Балтийского флота Шведские роботы против Балтийского флота

Как маленькая нейтральная Швеция стала одним из пионеров ракетостроения

Обозрение армии и флота
Увидеть сон про выпавшие зубы: толкование сонников и мнение психолога Увидеть сон про выпавшие зубы: толкование сонников и мнение психолога

К чему вам могло присниться, что выпали зубы? Разбираемся с помощью психолога

Psychologies
Синдром главного героя в психологии: признаки и как от него избавиться Синдром главного героя в психологии: признаки и как от него избавиться

Почему иногда люди ведут себя так, будто они главные герои фильма или сериала?

Psychologies
«Внеждановщина: Советская послевоенная политика в области культуры как диалог с воображаемым Западом» «Внеждановщина: Советская послевоенная политика в области культуры как диалог с воображаемым Западом»

Что не понравилось Сталину в фильме «Большая жизнь»

N+1
Конечно, Вася Конечно, Вася

Василий Баста Вакуленко о самокритике, драках и творческих альтер эго

Men Today
Открыть в приложении