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?

На уровне моря в каждом кубическом сантиметре земного воздуха находятся примерно 10¹⁹ молекул. Межзвёздная среда несравнимо разреженнее, но её плотность сильно меняется: в горячем разреженном газе может быть значительно меньше одной частицы на кубический сантиметр, а в холодных молекулярных облаках — сотни, тысячи и даже намного больше частиц на кубический сантиметр.

Многие молекулярные облака действительно чрезвычайно холодны — всего на десятки градусов выше абсолютного нуля, — но температура межзвёздной среды тоже очень неоднородна. Химические реакции там идут иначе, чем в земной атмосфере: помогают поверхности пылинок, ионизация, ультрафиолетовое и космическое излучение, а некоторые реакции эффективно протекают даже при очень низких температурах.

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.

Межзвездное пространство

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.

Филип Пулман

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

За десятилетия радиоастрономии список обнаруженных в межзвёздной и околозвёздной среде молекул вырос до сотен, включая соединения значительно сложнее ацетона. Кроме небольших органических молекул, в космосе подтверждены крупные углеродные структуры, например фуллерены C₆₀ и C₇₀. Органические молекулы важны для исследований происхождения сложной химии, однако само их присутствие не является доказательством внеземной жизни. Сообщения об аминокислотах также нужно различать: они найдены, например, в метеоритах и образцах кометного вещества, но надёжное обнаружение аминокислот в межзвёздном газе остаётся сложной задачей.

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. Современные радиоинтерферометры, прежде всего ALMA в чилийской пустыне Атакама, уже стали одним из главных инструментов астрохимии и регулярно позволяют обнаруживать новые молекулы и картировать их распределение в космосе.

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.

Марс

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.

Для проверки: NASA Goddard Astrochemistry Laboratory — каталог межзвёздных молекул; NASA также подтверждает обнаружение в космосе крупных углеродных молекул, включая C₆₀⁺.