Астрономы показали двойственную роль химических реакций

09:31, 13 мая 2020

Они выяснили, как излучение влияет на разрушение и формирование молекул в космосе

Ученые предположили, что в космосе могут проходить химические реакции, еще в 1950-х годах. Фото: Илья Сафаров.

Ученые показали двойственную роль фотохимических процессов в образовании сложных органических молекул в специфических условиях межзвездной среды. С одной стороны, интенсивное ультрафиолетовое излучение массивных звезд агрессивно разрушает многоатомные молекулы, тем самым предотвращая развитие сложной органической химии в объектах, которые не защищены от излучения. С другой стороны, слабое вторичное ультрафиолетовое излучение стимулирует синтез относительно сложных органических молекул в тех областях межзвездной среды, которые экранированы космической пылью. Также космическая пыль выступает в роли катализатора для химических реакций, приводящих к образованию сложных молекул. Таким образом, твердая фаза межзвездной среды, состоящая в основном из углеродных и силикатных соединений, оказалась не только уникальным астрохимическим реактором для фотосинтеза органических соединений, но и местом, где эти соединения выживают в суровых условиях.

Подробное описание «разрушительного» и «созидательного» влияния агрессивных космических условий на сложные органические соединения представлено в обзорной статье о химии ледяных мантий межзвездных пылевых частиц в журнале «Успехи химии». При подготовке статьи ученые УрФУ, МГУ и РАН изучили более 200 источников.

«В настоящее время считается, что ключевыми химическими реакциями, приводящими к образованию сложных молекул в межзвездной среде, являются образование молекулярных радикалов в межзвездных льдах посредством фотолиза и радиолиза и последующие реакции между ними, — поясняет соавтор статьи, руководитель партнерской группы Макса Планка на базе лаборатории астрохимии и внеземной физики ИЕНиМ УрФУ Антон Васюнин. — Сложный многостадийный механизм этих реакций начал изучаться не так давно, и еще предстоит провести множество лабораторных, теоретических и наблюдательных исследований, чтобы получить удовлетворительное понимание астрохимии межзвездного льда».

Химические процессы, протекающие в космосе, изучены не очень хорошо. Первые теоретические работы, авторы которых предполагали, что в космосе есть химические элементы, появились в 1950-е годы. До 1960-х считалось, что в газовой фазе межзвездной среды могут существовать только простые молекулы (в основном двух- и трехатомные): Н2, CO, НСО+ и другие. Предполагалось, что образование более сложных молекул в космосе неэффективно из-за господствующих там низких температур, плотностей и жесткого УФ-излучения.

«После Второй мировой войны в Европе осталось много радаров, которые передали ученым. Ученые переделали их в радиотелескопы, и так появились инструменты, благодаря которым стали находить молекулы в космосе, — поясняет Антон Васюнин. — Начиная с 1970-х годов ежегодно открывается четыре-пять новых молекул. На современный уровень исследования вышли в конце 1990-х и в XXI веке, когда появились точные инфракрасные и радиотелескопы, специальные лабораторные установки».

Раньше лабораторные исследования проводили преимущественно в зарубежных университетах. А сегодня, например, ученые МГУ проводят эксперименты по взаимодействию ультрафиолетового излучения и аналогов межзвездных льдов: исследуют протекание химических реакций льда под воздействием ультрафиолета. Астрономы УрФУ также создают лабораторию астрохимических исследований, на которую получили поддержку Минобрнауки России. Одна из активно разрабатываемых сложных астрохимических моделей (MONACO), которая появилась в лаборатории астрохимии и внеземной физики УрФУ, широко используется российскими и зарубежными исследователями.

На сегодня ученые во всем мире обнаружили более 200 органических и неорганических молекул — как двухатомных, так и многоатомных (состоят из более чем 12 атомов), а также радикалы, ионы, фуллерены. В молекулярных облаках нашли молекулы метанола, этанола, диметилового эфира, метилформиата, уксусной кислоты, гликолевого альдегида, этиленгликоля, формамида, аминоацетонитрила и других.

«Эти соединения играют важную роль в пребиологической химии, в частности, они являются возможными предшественниками самой простой аминокислоты — глицина, — отмечает Антон Васюнин. — Глицин, который является непосредственным предвестником зарождения жизни, к примеру, обнаружили в кометах».

Обнаружение в межзвездной среде сложных органических и неорганических молекул еще несколько десятилетий назад казалось фантастикой. Сегодня оборудование позволяет проводить исследования — наблюдение в космосе и опыты в лабораториях. Вместе с тем, у ученых до сих пор нет полного понимания механизма образования органического вещества в космосе и того, как оно эволюционирует со временем (какие максимально сложные соединения могут сформироваться в межзвездной среде). Это одна из современных фундаментальных задач, решение которой позволит понять, как изменяется химический состав Вселенной и эволюционируют биологически важные соединения в Солнечной системе.

Отметим, исследование авторов статьи поддержал Российский научный фонд (проекты № 18-13-00269 и № 17-12-01441).