Астрохимия
Может показаться, что в космосе мало что происходит, раз там пусто, но дел там для химиков выше головы - особенно для тех, кто интересуется происхождением жизни на Земле, не говоря уже о возможности жизни где-нибудь еще. Давайте разберемся, что им там интересно, помимо воды на Марсе?
Земная атмосфера богата на всякую химию. В ней битком молекул, которые беспрестанно налетают друг на друга и взаимодействуют. На уровне моря в каждом кубическом сантиметре содержится 1019, то есть 10 000 000 000 000 000 000 молекул. Космический вакуум в сравнении с этим — совсем другое дело. В каждом кубическом сантиметре межзвездного пространства содержится одна-единственная частица. Всего одна. Это равносильно пчеле, пролетающей над городом размером с Москву.
Одной лишь редкости молекул в космосе достаточно, чтобы усомниться в возможности их встречи и взаимодействия. А тут вдобавок еще и с энергией все непросто. Земная атмосфера, в общем, довольно теплая, даже если это вам морозное утро в Лондоне или Нью-Йорке. А в межзвездном пространстве температура опускается до студеных -260 °С. При таких температурах все движется совсем не спеша, а это значит, что молекулы, даже если встретятся, лишь слегка соприкоснутся, но им не хватит энергии вступить в реакцию. С учетом таких вот специфических условий удивительно, что химия тут вообще происходит. Скорее, встает вопрос, почему химикам тут интересно.
Где погорячее
Невзирая на кажущуюся скудость настоящей химии, уйма химиков увлеченно исследуют все, что найдут в космосе, — и не просто так. Химия космоса может объяснить нам, как зародилась Вселенная, откуда взялись химические элементы, необходимые для жизни, и может ли жизнь существовать где-нибудь еще, помимо нашей планеты. Но прежде чем разговаривать о сложной химии биологических реакций, нам нужно осмыслить условия в космосе, какие молекулы там имеются и как протекают химические реакции.
«Мы отменили космос у нас тут, на планетке земля, но никогда не сможем отменить его там, где он зияет меж звезд» Артур Чарлз Кларк (1913-1993), английский писатель, ученый, футуролог, изобретатель; цитата из книги «Черты будущего» (1962)
Знание неких усредненных условий в космосе не дает нам понимания, как оно есть на самом деле в отдельно взятых точках. Есть места, где пусто и холодно, но Вселенная столь огромна, что условия в ней варьируют в широчайшем диапазоне. Межзвездное пространство — не равномерное море сильно разреженных газов. Есть в космосе холодные и плотные молекулярные облака, содержащие водород, а есть и сверхгорячие места — рядом со взорвавшимися звездами.
Более 99% межзвездной среды заполнено газами — водородом (две трети по массе) и гелием (почти все остальное). Углерода, азота, кислорода и частиц других элементов совсем по чуть-чуть. Еще 1% — компонент, который придется по нраву тем, кто читал «Темные начала» Филипа Пулмана [Пуллмена]: пыль. Эта пыль не похожа на ту, которую вы стираете с подоконника, не похожа она — скажем ради поклонников Пулмана — и на вымышленные частицы сознания.
Пыль
Межзвездная пыль состоит из мелких зерен, содержащих силикаты, металлы и графит. Важно в этих крупинках пыли вот что: одиноким частицам, болтающимся в необозримых просторах космоса, есть где перекантоваться. И покантовавшись подольше, они могут наконец встретить другую молекулу и вступить с ней в реакцию. Некоторые крупинки замкнуты в оболочку из замерзшей воды, и химия льда в таком случае — ключ к пониманию, что может происходить на этих крупинках. Другие составляющие пыли могут оказать услуги катализа и помочь редким реакциям все-таки случаться. Когда энергии мало, реакциям помогает УФ-излучение звезд, космические и рентгеновские лучи, а некоторым реакциям энергии и вовсе не требуется.
В 2013 году астрономы на Гавайях, производившие радионаблюдения за далеким космосом при помощи телескопа в субмиллиметровом диапазоне, обнаружили признаки диоксида титана в частицах пыли возле очень яркой звезды-супергиганта VY Большого Пса. Диоксид титана — то же вещество, которое применяется в кремах от загара и в белой краске. Ученые предположили, что в космической пыли это вещество может играть важную роль в катализе реакций, в ходе которых образуются большие сложные молекулы.
Семена жизни
Большие молекулы, впрочем, — штука для космоса редкая, насколько нам известно. Со времен открытия в космосе радикалов CN2 и СН3 и ионов СН+ прошло чуть менее 80 лет. С тех пор нашлись еще около 180 «сложных» частиц, но в основном из шести атомов или меньше. Ацетон (СН3)2СО — молекула из десяти атомов, и это одна из крупнейших находок, ее обнаружили в 1987 году. Большие углерод содержащие молекулы вроде полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) — вот что астрохимикам интереснее всего, потому что эти молекулы могли поведать нам о том, как органика вообще впервые образовалась. ПАУ и другие органические молекулы часто ведут к теориям происхождения жизни, в которых жизнь на Земле «засеяли» из космоса. Аминокислоты в космосе тоже, говорят, засекали, но это еще предстоит подтвердить.
Астрохимики не только ищут следы интересных молекул — есть еще всякие инструменты и приемы, с помощью которых лабораторно моделируют возможные во Вселенной события. В вакуумных камерах, к примеру, можно воссоздать маленькие фрагменты межзвездной «пустоты», которая, как мы теперь знаем, не совсем уж пустая, и попытаться понять, как именно протекают там химические реакции. Вместе с моделированием такой подход помогает прогнозировать состав молекул и реакции, которые позднее, когда позволит развитие техники, возможно, удастся подтвердить. Новые мощные телескопы — например, Большой телескоп миллиметрового диапазона волн в чилийской пустыне Атакама — должны помочь химикам подтвердить или опровергнуть самые смелые теории.
Жизнь на Марсе
Марс, наш ближайший сосед по Солнечной системе, издавна притягивал внимание ученых, ищущих жизнь за пределами нашей планеты. Наличие воды, которую астробиологи считают необходимой для жизни, поначалу подсказывало, что на Марсе и впрямь можно обнаружить нечто живое. Однако уже известно, что вода на Марсе в основном присутствует в виде льда под поверхностью планеты или же обволакивает частицы почвы. Теоретически какой-нибудь космонавт, если очень захочет пить, сможет нагреть несколько горстей марсианской почвы и добыть глоток воды. В 2014 году в журнале исследований Солнечной системы «Икар» были опубликованы снимки чего- то подозрительно похожего на канавы, и кое-кто предположил, что по поверхности Красной планеты когда-то текла вода. Но нет доказательств, что вода на Марсе в каком бы то ни было виде питала или до сих пор питает жизнь.
ПАУ
Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) - многообразная группа веществ, у которых в составе молекул есть бензольные кольца. На нашей планете это продукты неполного сгорания, и присутствуют они в горелом гренке и в мясе-гриль, а также в выхлопе автомобилей. Их засекали и всюду в космосе, еще с середины 1990-х, в том числе и в старых, порождающих звезды областях, хотя присутствие их впрямую не подтверждено.
