|
Прослеживаем космическую эволюцию фосфора
|
|
|
|
Существует большое разнообразие в химическом составе астрономических объектов, таких как планеты, кометы, околозвездные оболочки или галактические газовые облака. Одна из важнейших задач астрохимии состоит в том, чтобы детально понять, как это разнообразие возникает на космическом фоне круговорота вещества между рождением и разрушением звезд, когда молекулы формируются, вступают в реакцию и сливаются в холодные облака пыли и льда в промежутках между этими событиями.
|
|
|
|
Трехвалентный фосфор, связанный с анаэробными условиями на Земле, также был обнаружен в атмосферах планет-гигантов и в далекой межзвездной среде. Фосфаты присутствуют в некоторых метеоритах и на спутнике Сатурна Энцеладе.
|
|
|
|
Как фосфор оказался в этих средах и в конечном итоге стал основой жизни на Земле? Ученые из Института физической химии Польской академии наук изучают в земных лабораториях различные свойства незнакомых молекул, которые могут путешествовать в межзвездном пространстве по интригующим траекториям. Их работа опубликована в журнале Physical Chemistry "Химическая физика".
|
|
|
|
Люди всегда были очарованы ночным небом, глядя на бескрайние просторы космоса, где звезды сверкают, как далекие бриллианты, находя вдохновение и задумываясь о собственном существовании. Это восхищение только усилилось по мере того, как мы научились смотреть в космос и даже путешествовать в нем.
|
|
|
|
|
|
|
Телескопы, не только наземные, были созданы для того, чтобы изучать Вселенную на самых разных длинах волн электромагнитного излучения. Спутники и другие космические аппараты были отправлены на небольшие расстояния для исследования тел Солнечной системы или даже запущены по траекториям, которые должны были выйти за пределы влияния нашей собственной звезды. Молекулы, которые наблюдают астрономы, - это те, которые могут выжить в суровых условиях разреженной межзвездной среды (ISM), или те, которые находят защиту в таких средах, как плотные атмосферы планет.
|
|
|
|
Ненасыщенные органические нитрилы (молекулы, оканчивающиеся группой -CN) играют важную роль в химии ISM. HCN (цианистый водород), HCCN (цианометилен) и HCCCN (цианоацетилен) или винилцианид (CH2CHCN) являются примерами химических соединений, наблюдаемых во многих местах, в основном с помощью радиотелескопов. Считается, что эти азотсодержащие соединения играют важную роль в конечном производстве аминокислот и белков.
|
|
|
|
В нашем регионе галактики содержание фосфора (который находится непосредственно под азотом в периодической таблице Менделеева) примерно в 200 раз меньше, чем азота. Это различие отражается в том факте, что на сегодняшний день в ISM было идентифицировано только семь соединений, содержащих P (CP, NCCP, КПК, HCP, PN, PO и PH3), в то время как уже известно о более чем 100 видах соединений, содержащих N.
|
|
|
|
Тем не менее, фосфора на Земле больше, чем во Вселенной в целом, и его можно найти в нуклеотидах, фосфолипидах и нуклеиновых кислотах, которые имеют решающее значение для жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Какие переносчики фосфора еще предстоит идентифицировать в межзвездной среде? Как эти молекулы преобразуются в вещества, которые мы в конечном итоге наблюдаем на Земле? По каким признакам мы можем идентифицировать их в различных удаленных средах? Как они в конечном итоге концентрируются на планетах, подобных Земле?
|
|
|
|
Вопросы, на которые предстоит ответить, остаются сложными и бесконечными. Задача расширить наше понимание того, как некоторые необычные, высокореактивные молекулы, содержащие атом фосфора, могут быть идентифицированы в космосе, была поставлена в Варшаве командой из Института физической химии, в которую входили доктор Арун-Либертсен Лоузер, доктор Томас Кастер и докторант Элавенил Ганесан под руководством проф. Роберт Колос. Они работают в сотрудничестве с проф. Жан-Клод Гильемен из Высшей национальной школы химии в Ренне (Франция).
|
|
|
|
В их недавней статье исследуется фотохимия фосфабутина (CH3CH2CP). Было показано, что молекула, помещенная в инертный лед и подвергнутая воздействию ультрафиолетового излучения, подвергается как изомеризации (перегруппировке атомов), так и потере водорода. Двумя важными наблюдаемыми продуктами были фосфабутадиин (HC3P) и винилфосфаэтин (H2CCHCP). Их азотсодержащие аналоги, цианоацетилен (HC3N) и винилцианид (H2CCHCN), уже признаны важными и широко распространенными межзвездными молекулами.
|
|
|
|
Как HC3P, так и H2CCHCP обладают высокой реакционной способностью и поэтому нестабильны в обычных лабораторных условиях. Теперь их образование стало возможным благодаря использованию криогенной технологии, при которой небольшое количество фосфабутина было заморожено при температуре около 10 градусов Кельвина в виде льда, изготовленного из аргона. Молекулы фосфабутина были эффективно захвачены атомами аргона, точно так же, как были захвачены образующиеся из них реакционноспособные частицы, такие как HC3P.
|
|
|
|
Такая изоляция, т.е. разделение с помощью атомов Ar, сделала молекулы, полученные в результате фотосъемки, стабильными и готовыми к спектроскопическому анализу. Исследование инфракрасным светом выявило частоты молекулярных колебаний, уникальные для каждого из продуктов. Квантово-химические вычисления помогли сопоставить эти частоты с конкретными химическими соединениями. В дополнение к HC3P и H2CHCP можно было увидеть несколько экзотических изомеров исходной молекулы, а также более мелкие продукты: этинилфосфиниден (HCCP) и фосфэтин (HCP).
|
|
|
|
"Мы стремились к совершенно неизученной инфракрасной спектроскопии HC3P и CH2CHCP. До сих пор сообщалось только о микроволновых, т.е. чисто вращательных спектрах этих двух веществ. Характеризующий колебания молекул, таких экзотических, фосфор-содержащих молекул имеет важное значение для развивающейся областью инфракрасного astrospectroscopy", - говорит профессор. Kolos.
|
|
|
|
Доктор Лоузер уточняет: "В случае с HC3P мы измерили целых пять частот колебаний, что должно быть полезно для будущих дистанционных обнаружений".
|
|
|
|
Исследование выявляет вибрационные признаки до сих пор плохо охарактеризованных или неизвестных молекул и показывает, как ультрафиолетовый свет может разрушать определенные производные фосфора в химически инертной ледяной среде, что является первым шагом к пониманию реакций, происходящих в ISM.
|
|
|
|
"Достижения в области приборостроения позволяют нам идентифицировать молекулы со все более низким содержанием. HC3P, фосфорный аналог знаменитой астромолекулы HC3N, выглядит как кандидат на обнаружение с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба", - отмечает доктор Кастер.
|
|
|
|
Со временем исследователи надеются узнать, существуют ли такие переносчики фосфора и важны ли они для зарождения жизни.
|
|
|
|
Источник
|
