В космосе существуют молекулы, которые не могут существовать 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.
