|
Существуют молекулы, которых нет на Земле
|
|
|
|
В туманности Конская Голова обнаружено что-то странное. Эта туманность, названная так за свой жеребцовый силуэт, представляет собой вытянутое облако пыли и газа в 1500 световых годах от Земли, в котором постоянно рождаются новые звезды. Это один из самых узнаваемых небесных объектов, и ученые хорошо его изучили. В 2011 году астрономы из Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM) и других мест снова к ней обратились.
|
|
|
|
С 30-метровым телескопом IRAM в испанской Сьерре-Неваде, они изучили две части гривы лошади в радиоспектре. Нет, они собирали не изображения Конской Головы; их интересовал спектр — они считывали свет, разбивающийся на составляющие его длины волн, раскрывающие химический состав туманности. На экране эти данные похожи на всплески кардиомонитора; каждый пик показывает, что определенная молекула туманности испустила свет определенной длины волны.
|
 |
|
Каждая молекула во Вселенной образует свою характерную сигнатуру на основе положения протонов, нейтронов и электронов в ней. Большинство сигнатур на данных Конской Головы легко объясняются обычными химическими веществами: окись углерода, формальдегид, нейтральный углерод. Но была также небольшая неизвестная линия на 89,957 гигагерц. Это была тайна — молекула, совершенно неизвестная науке.
|
|
|
|
Сразу после получения этих данных, Эвелин Руэфф из Парижской обсерватории и другие химики в ее команде начали выдвигать теории на тему молекулы, которая могла создать сигнал. Они пришли к выводу, что неизвестный тип должен быть линейной молекулой — соединением, в котором атомы расположены в прямой цепи. И только определенный тип линейной молекулы мог произвести спектральный отпечаток, увиденный химиками. Проработав список таких молекул, они наткнулись на C3H+, пропинилидиниум. Этот молекулярный ион раньше никогда не видели. По сути, он вообще не должен был существовать. А если бы существовал, то был бы крайне нестабильным. На Земле он практически моментально прореагировал бы с чем-то еще и образовал бы привычную форму. Но в космосе, где давление низкое, а молекулы редко сталкиваются с чем-то, с чем можно образовать связь, C3H+ вполне может существовать.
|
|
|
|
Руэфф и ее коллеги изучили, может ли туманность Конская Голова содержать нужные ингредиенты и условия для образования этой молекулы. В 2012 году они опубликовали работу в Astronomy & Astrophysics, в которой сделали вывод, что обнаружили сигнатуру, скорее всего, C3H+. «Я была относительно уверенна, — говорит Руэфф. — Но требовалось еще два-три года, чтобы убедить всех, что мы поняли правильно».
|
|
|
|
Поначалу некоторые скептики оспаривали этот вывод — если C3H+ никто не видел раньше, откуда они уверены, что это та молекула? Решающий довод появился в прошлом году, когда ученые из Университета Кельна в Германии решили создать ненадолго C3H+ в лаборатории. Они не только доказали, что молекула существует, они также позволили ученым измерить ее спектр — и он оказался тем же, который был в Конской Голове. «Было приятно обнаружить молекулу, о существовании которой мы раньше и не думали, — говорит Руэфф. — Когда вы можете прийти к такому выводу с помощью логики, вы настоящий детектив».
|
|
|
|
С одной непонятной молекулой определились, но осталось еще много таких. Туманность Конская Голова не исключение. Почти везде во Вселенной, куда смотрят астрономы — если, конечно, смотрят внимательно, — они видят неопределенные спектральные линии. Соединения, с которыми мы, люди, знакомы и которые создают огромное многообразие материалов на этой планете, всего лишь часть созданного этой природой. В конце концов, после десятилетий разработки теоретических моделей и методик компьютерной симуляции, а также лабораторных экспериментов по воспроизводству новых молекул, астрохимики начинают давать имена многим таким неопределенным линиям.
|
|
Пустой космос
|
|
|
|
Совсем недавно, в 60-х годах большинство ученых сомневалось, что в межзвездном пространстве вообще могут существовать молекулы — излучение там должно быть настолько суровым, что не позволит существовать чему-то, что больше атома или пары свободных радикалов. В 1968 году физик Чарльз Таунс из Калифорнийского университета в Беркли решил в любом случае поискать молекулы в космосе. «У меня было ощущение, что большинство астрономов Беркли считало мою идею немного диковатой», — вспоминал Таунс, нобелевский лауреат, в 2006 году. Но Таунс не сдавался и построил новый усилитель для шестиметровой антенны радиообсерватории Хэт-Крик в Калифорнии, которая выявила наличие аммиака в облаке Стрельца B2. «Как просто и как прекрасно! — писал он. — СМИ и ученые начали нас обсуждать».
|
|
|
|
В последующие годы астрономы обнаружили более 200 типов молекул, плавающих в космосе. Многие сильно отличались от тех, что мы видели на нашей планете. «Обычно мы занимаемся химией на основе условий, которые имеем на Земле, — говорит Райан Фортенберри, астрохимик Южного университета Джорджии. — Когда мы отходим от этой парадигмы, химические вещества можно создавать без ограничений. Если вообразить молекулу, неважно, насколько странную, есть определенная вероятность, что через энное время где-нибудь на задворках необъятного космоса она появится».
|
|
|
|
Космос — в буквальном смысле иная среда. Температуры могут быть намного, намного выше, чем на Земле (например, в атмосфере звезды), и намного, намного ниже (в относительно пустом межзвездном пространстве). Точно так же, давление (высокое или низкое) отличается от земного. Следовательно, молекулы, которые могут образовываться в космосе, на нашей планете могут не появиться вообще никогда — а если и появятся, то будут обладать высокой активностью. «Молекула может годами болтаться в межзвездном пространстве, прежде чем столкнется с другой молекулой, — говорит Тимоти Ли, астрофизики Исследовательского центра Эймса в NASA. — Может существовать область без радиации, поэтому если молекула даже не будет стабильной, она просуществует долгое время».
|
|
|
|
Эти космические молекулы после идентификации могли бы многому нас научить. Некоторые из них, возможно, окажутся полезными, если ученые смогут воссоздать их в лаборатории и научатся использовать их свойства. Другие молекулы могут помочь в объяснении происхождения органических компонентов, которые дали начало жизни на Земле. Все они также могут расширить границы наших знаний о том, что вообще возможно химически в нашей Вселенной.
|
|
Телескопы, которые все изменят
|
|
|
|
В прошлом десятилетии, когда появились мощные новые телескопы, способные улавливать слабые спектральные линии, поиск чужих молекул ускорился. «Сейчас по сути происходит расцвет астрохимии, — говорит Сюзанна Видикус Вивер, руководящая группой астрохимиков в Университете Эмори. Данные, которые сейчас доступны, существенно улучшились за десять лет. Высотная обсерватория NASA SOFIA (стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии), установленная на борту Boeing 747SP, начала наблюдать инфракрасный и микроволновый свет в 2010 году, а космическая обсерватория Гершеля Европейского космического агентства вышла на орбиту в 2009 году и наблюдает те же длины волн.
|
|
|
|
|
|
И все же реально меняющим правила игры является Атакамский телескоп ALMA, скопление 66 радиоблюдец, открытое в 2013 году. На высоте 5200 метров на плато Чахнантор, в похожей на Марс атакамской пустыне, самом засушливом месте в мире, антенны ALMA работают в унисон, собирая свет космических объектов. Невероятно темное и прозрачное небо, в котором практически не бывает облаков, обеспечивают телескоп беспрецедентной чувствительностью и позволяют точно улавливать длины волн, от инфракрасных до радио. ALMA создает визуальную и спектральную картину каждого пикселя своих снимков, производя десятки тысяч спектральных линий на каждом участке наблюдаемого неба. «Он удивляет и вызывает волнение одновременно, — говорит Видикус Вивер. — Эти наборы данных настолько огромны, что нам часто приходится отправлять их ученым на флеш-дисках, чтобы те могли их загрузить». Поток данных обеспечивает обилие новых спектральных линий, в которых предстоит разбираться астрохимикам. Но как и неопределенные отпечатки пальцев на месте преступления, эти линии бесполезны для ученых, пока они не поймут, какие молекулы их образуют.
|
|
В поисках связи
|
|
|
|
Чтобы определить молекулы, соответствующие этим линиям, ученые могут пойти двумя путями. Как и в случае с C3H+, астрохимики могут начать с теории, используя гадание по спектру, чтобы попробовать угадать, какая молекула может скрываться под ним. Методика квантовой химии ab initio (ab initio на латыни означает «с начала») позволяет ученым начинать с чистой квантовой механики — теории, описывающей поведение субатомных частиц — чтобы рассчитать свойства молекул на основе движения протонов, нейтронов и электронов в атомах, их составляющих. На суперкомпьютере можно запустить повторяющееся моделирование молекулы, каждый раз слегка подстраивая ее структуру и расположение ее частиц, и смотреть на результаты, чтобы определить оптимальную геометрию составляющих. «С квантовой химией мы не ограничены в том, что можем синтезировать, — говорит Фортенберри. — Мы ограничены размером молекул. Нам нужно больше вычислительной силы, чтобы проводить расчеты».
|
|
|
|
Ученые также могут найти неопровержимые доказательства новых молекул, создав их в лаборатории и напрямую измерив их спектральные особенности. Общий метод начинается с газовой камеры, через которую пропускается электричество. Электрон в токе может столкнуться с молекулой газа и разрушить ее химические связи, породив нечто новое. Ученые поддерживают газ при очень низком давлении, поэтому любое новое химическое вещество имеет шансы прожить пару моментов, прежде чем столкнется с другой молекулой и прореагирует. Затем ученые просвечивают камеру светом разных длин волн, чтобы измерить спектр того, что находится внутри. «Вы можете оказаться в положении, когда произвели в лаборатории ту же молекулу, что существует в космосе, но не знаете точно какую, — говорит Майкл Маккарти, физик из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра. — Поэтому вам остается попытаться вывести элементный состав из комбинации разных лабораторных экспериментов с разными образцами».
|
|
|
|
В 2006 году Маккарти и его коллеги создали отрицательно заряженную молекулу C6H- и изменили ее спектр. Вскоре после этого они обнаружили такой же спектральный отпечаток в межзвездном молекулярном облаке Тельца в 430 световых годах отсюда. Предыдущие поиски отрицательно заряженных частиц в космосе ни к чему не привели, поэтому многие ученые сомневались в том, что они существуют в значимых объемах. «Это привело нас к множеству открытий, благодаря которым мы могли выявлять молекулы в лаборатории, а после и в космосе», — говорит Маккарти. Команда с тех пор нашла C6H- во многих, больше десятка, космических источниках.
|
|
|
|
В 1980-х годах, в попытке создать новые химические вещества, ученые произвели молекулу аргония (36ArH+), странное соединение, которое не найти на Земле, включающее водород с вообще-то инертным газом аргоном. В 2013 году астрономы нашли аргоний в космосе, сначала в Крабовидной туманности, а позже в далекой галактике с помощью наблюдений ALMA. Соединения на основе благородных газов формируются лишь при очень специфических обстоятельствах; ученые думают, что в космосе высокоэнергетические частицы — космические лучи — сталкиваются с аргоном и выбивают у него электроны, позволяя соединиться с водородом. По этой причине, если ученые видят аргоний в какой-нибудь области космоса, они полагают, что эта область наводнена космическими лучами. «Это специфический индикатор определенных условий, очень важная штука в космосе», — говорит Хольгер Мюллер из Университета Кельна.
|
|
Мир новых молекул
|
|
|
|
Многие из молекул, скрывающихся в звездах и туманностях, до крайности странные. Спрашивать, как они будут выглядеть или какими будут на ощупь, бесполезно, поскольку даже если вы их возьмете в руки, они мгновенно прореагируют. Если вам все же удастся установить с ними контакт, они почти наверняка окажутся токсичными и канцерогенными. Как ни странно, ученые имеют грубое представление о том, как будут пахнуть некоторые чужие молекулы: многие из них относятся к классу ароматических соединений, производных бензола, которые первоначально делили названия с сильными запахами.
|
|
|
|
Некоторые из новых соединений демонстрируют удивительные атомные структуры и делят заряд между атомами странным образом. Иногда они ставят под вопрос современные теории молекулярных связей. Недавний пример — молекула SiCSi, обнаруженная в 2015 году в умирающей звезде, состоящая из двух атомов кремния и одного атома углерода, которые соединены неожиданным образом. В результате получается такая вот странная молекула, которая обладает спектральной подписью, отличной от тех, что предсказывают обычные теоретические модели.
|
|
|
|
Космические молекулы могут помочь нам ответить на один из самых фундаментальных вопросов Вселенной: как началась жизнь? Ученые не знают, где первоначально возникли аминокислоты, строительные блоки жизни, на Земле или в космосе (и после были занесены на нашу планету кометами и метеоритами). Ответ на этот вопрос может также подсказать, много ли аминокислот во Вселенной и могли ли они теоретически посеять жизнь на мириадах других экзопланет. Астрохимики уже заметили признаки наличия аминокислот в космосе, а также соединения молекул, которые лежат в их основе.
|
|
|
|
Наконец, возможно, некоторые редкие виды могут оказаться полезными, если их можно будет создать в достаточно большом количестве и удастся поддерживать в контролируемых условиях. «Большая надежда астрохимии — найти молекулы, которые будут обладать совершенно новыми свойствами и которые мы сможем применить для решения земных проблем», говорит Фортенберри.
|
|
|
|
Хороший пример — молекулы «фуллерены». Эти крупные собрания 60 атомов углерода впервые были созданы в лаборатории в 1985 году (и принесли Нобелевскую премию). Спустя почти десять лет астрономы видели спектральные линии в межзвездном газе, которые в точности указывали на положительно заряженные версии фуллеренов, и эта связь подтвердилась в июле, когда ученые сравнили их сигнатуры со спектром фуллеренов, которые были создали в космосоподобных условиях в лаборатории. Позднее фуллерены оказались не просто странной космической находкой, а вполне приличным практическим инструментом для нанотехнологий, полезным для укрепления материалов, улучшения солнечных батарей и даже в фармацевтике.
|
|
|
|
Пока что астрохимики все еще плескаются на мелководье огромного моря молекул где-то там, в космосе. Их находки напоминают нам, что наш собственный уголок в космосе относительно мал — может быть незначительным, не показательным, лишь примером возможностей. Возможно, те молекулы, которые мы имеем на Земле, являются на самом деле экзотическими, а C3H+, фуллерены и другие пока неизвестные молекулы — обычный вселенский материал.
|
|
|
|
http://hi-news.ru/science/v-kosmose-sushhestvuyut-molekuly-kotorye-ne-mogut-sushhestvovat-na-zemle.html
|
