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

Человеческий фактор Человеческий фактор

Как голландцы спасли свои каналы, а упавший самолет – целый район?

Вокруг света
«Я всегда старалась успевать жить» «Я всегда старалась успевать жить»

Серии «Комбинации», где Анастасия Уколова исполняет одну из главных ролей

OK!
Триумф и падение Триумф и падение

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

Знание – сила
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
Антик с гвоздикой Антик с гвоздикой

В наше время ароматная гвоздика из драгоценного товара стала заурядной пряностью

Наука и жизнь
Искусство Искусство

Важнейшие арт-события года по версии RR

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Слова и музыка Слова и музыка

Елизавета Базыкина удивляет спокойствием не только к успеху, но и к неудачам

VOICE
Философия счастья Философия счастья

Элегантная светлая квартира в Санкт-Петербурге с особенной атмосферой

Идеи Вашего Дома
Конечно, Вася Конечно, Вася

Василий Баста Вакуленко о самокритике, драках и творческих альтер эго

Men Today
«Накатить бокальчик игристого». Сомелье рекомендуют вина к завтраку «Накатить бокальчик игристого». Сомелье рекомендуют вина к завтраку

Сомелье рассказали, какие вина подойдут к яичнице, каше и сырникам

СНОБ
Без воды Без воды

Какие у безводной косметики преимущества и недостатки?

Лиза
Что будет, если заменить батареи теплым полом: ваше сердце не скажет спасибо, считает ученый из МЭИ Что будет, если заменить батареи теплым полом: ваше сердце не скажет спасибо, считает ученый из МЭИ

Можно ли отопить дом только теплым полом?

ТехИнсайдер
От угрюмого бати до заботливого родителя: как за последние годы трансформировался образ отца в российском кино От угрюмого бати до заботливого родителя: как за последние годы трансформировался образ отца в российском кино

На примере самых заметных проектов: трансформация образа экранного родителя.

Правила жизни
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
Много вопросов, мало ответов: почему тесты на определение профессии не работают Много вопросов, мало ответов: почему тесты на определение профессии не работают

Кем быть? Как найти дело, которое не только нравится, но и приносит деньги?

Forbes
Цена убеждений: почему глобальные кризисы разрушают дружбу и как пережить эту потерю Цена убеждений: почему глобальные кризисы разрушают дружбу и как пережить эту потерю

Почему нам так больно расставаться с друзьями?

Forbes
Мне нужна твоя одежда Мне нужна твоя одежда

Глеб Клинов смело заглянул в глубины шкафа и непостижимой женской души

VOICE
«Лада Интрига? Нет, не слышал»: 10 смешных, прикольных и просто странных названий, которые могли быть у моделей АвтоВАЗ «Лада Интрига? Нет, не слышал»: 10 смешных, прикольных и просто странных названий, которые могли быть у моделей АвтоВАЗ

Около 30 названий моделей авто, припасенных АвтоВАЗом для себя

ТехИнсайдер
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
Ложь, чертеж и провокация Ложь, чертеж и провокация

Auto Union Typ 52 Schnellsportwagen – автомобиль, которого не было

Автопилот
Из разведчиков в «шпионы» Из разведчиков в «шпионы»

При сталинской диктатуре государство всегда с подозрением относилось к гражданам

Дилетант
Родить по расчету Родить по расчету

Финансовая подготовка к рождению ребенка: 5 практичных советов

Лиза
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
Дочь Доминика Пелико рассказала о том, как справилась с осознанием, что ее отец — насильник Дочь Доминика Пелико рассказала о том, как справилась с осознанием, что ее отец — насильник

Как быть детям, чьи родители совершили ужасные вещи?

Psychologies
Вы когда-нибудь задумывались, как на самом деле звали Чука и Гека? Вы когда-нибудь задумывались, как на самом деле звали Чука и Гека?

Вас никогда не интересовало, как по паспорту зовут главных героев — Чука и Гека?

ТехИнсайдер
Дым, милый дым Дым, милый дым

Как создать идеальный автомобиль для дрифта

Men Today
Большие перемены Большие перемены

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

Men Today
Куда хотят женщины Куда хотят женщины

Что могут рассказать нам фильмы для взрослых о женских предпочтениях

Men Today
Соленый папоротник и мороженое из грибов: что пробовать на Камчатке Соленый папоротник и мороженое из грибов: что пробовать на Камчатке

Самые аутентичные блюда Камчатки

СНОБ
Ярко и со вкусом Ярко и со вкусом

Необычная, очень солнечная по настроению квартира в ярком и цветном интерьере

Идеи Вашего Дома
Открыть в приложении