Межзвёздное пространство кажется совершенно неподходящим местом для сложной химии. В плотных молекулярных облаках, где из газа и пыли постепенно формируются новые звёзды и планетные системы, температура может опускаться почти до абсолютного нуля. Однако именно в таких условиях астрономы обнаруживают всё более сложные углеродные молекулы.
Одной из таких молекул стал фенален — углеводород с тремя соединёнными ароматическими кольцами. Его обнаружили в холодном плотном участке молекулярного облака Тельца, известном как TMC-1. Наблюдение оказалось важным потому, что традиционные представления о формировании подобных полициклических ароматических углеводородов связывали их образование преимущественно с более энергичными процессами и высокими температурами.
Новое теоретическое исследование предлагает возможное объяснение того, как фенален может возникать в настолько холодной среде. Расчёты показывают, что для одной из реакционных цепочек нагрев не требуется: подходящая реакция с участием радикала метилидина может протекать без входного энергетического барьера и приводить к образованию феналена.
Это не означает, что в космосе обнаружен непосредственно протекающий химический процесс. Речь идёт о рассчитанном механизме, который согласуется с условиями холодного межзвёздного облака и помогает решить проблему происхождения сложных углеродных молекул в такой среде.
Почему фенален оказался важной молекулой для астрохимии
Фенален относится к полициклическим ароматическим углеводородам, или ПАУ. Это большая группа соединений, состоящих из нескольких соединённых углеродных колец. ПАУ широко обсуждаются в астрохимии, поскольку считается, что они могут содержать значительную долю углерода межзвёздной среды.
При этом долгое время существовала существенная проблема: хотя характерные спектральные признаки, связанные с ПАУ, наблюдаются в космосе очень широко, обнаруживать конкретные представители этого семейства непосредственно было значительно сложнее.
Радиоастрономические наблюдения холодных молекулярных облаков постепенно изменили ситуацию. В TMC-1 удалось обнаружить ряд отдельных ароматических молекул, а затем был идентифицирован и фенален. Его обнаружение стало дополнительным свидетельством того, что достаточно сложные полициклические структуры действительно присутствуют в холодной межзвёздной среде.
Что представляет собой фенален
Фенален — ароматический углеводород, состоящий из тринадцати атомов углерода и десяти атомов водорода. Его структура включает три соединённых углеродных кольца.
Для астрохимии важен не только сам факт существования этой молекулы. Фенален находится на определённом уровне химической сложности. Поэтому его присутствие поднимает вопрос о том, каким образом сравнительно простые межзвёздные соединения могут постепенно превращаться в более крупные и структурно сложные молекулы при крайне низких температурах.
Именно этот вопрос стал центральным для нового исследования.
Почему холодная среда создаёт химическую проблему
В обычном земном опыте сложные органические реакции часто связывают с нагревом. Повышение температуры увеличивает энергию движения молекул и позволяет некоторым реакциям преодолевать энергетические барьеры.
Поэтому естественным казалось предположение, что образование сложных ароматических углеводородов в космосе также должно происходить в относительно тёплой среде.
Однако молекулярные облака, в которых рождаются звёзды, могут иметь совершенно другие условия.
TMC-1 — холодная плотная область молекулярного облака Тельца. Температура газа там составляет примерно 10 кельвинов, то есть около −263 °C. Это лишь немного выше абсолютного нуля. В таких условиях многие химические процессы, привычные для земной лаборатории, должны протекать крайне медленно или вообще не идти по обычному механизму.
Именно поэтому обнаружение сложных молекул в TMC-1 стало серьёзной задачей для теоретической астрохимии.
Холод не означает полного прекращения химии
Однако низкая температура не означает, что химические реакции в межзвёздном пространстве полностью прекращаются.
Молекулы в облаках постоянно взаимодействуют друг с другом. Кроме того, там присутствуют химически активные частицы — радикалы и ионы. Некоторые реакции могут идти по механизмам, для которых не требуется обычный температурный барьер.
Именно такие реакции особенно интересны для астрохимии. Если соединение способно образоваться в результате энергетически выгодной реакции без необходимости предварительно нагревать исходные вещества, чрезвычайно низкая температура среды перестаёт быть непреодолимым препятствием.
Новое исследование как раз рассматривает один из таких вариантов для феналена.
Как может образоваться фенален в ледяном космосе
Исследователи Александр Мебель и Ральф Кайзер рассмотрели химический путь, получивший название MACA — Methylidyne Addition-Cyclization-Aromatization, то есть механизм присоединения метилидина с последующей циклизацией и ароматизацией.
Расчёты показывают, что исходной реакцией может быть взаимодействие уже существующей углеродной молекулы 1-винилнафталина с радикалом метилидина CH.
В результате последовательности превращений формируется фенален. Ключевая особенность предложенного механизма заключается в том, что начальная реакция не требует преодоления входного энергетического барьера. Она также является экзоэргической — после реакции система оказывается в энергетически более выгодном состоянии.
Иными словами, исследователи нашли химический маршрут, который не требует предварительного нагрева холодного облака.
Сначала присоединение, затем перестройка структуры
Механизм MACA включает несколько последовательно связанных этапов. Радикал метилидина присоединяется к более крупной ароматической молекуле, после чего структура перестраивается с образованием нового углеродного кольца.
Для феналена особенно важна так называемая аннуляция [5 + 1] — формирование дополнительного кольца за счёт присоединения фрагмента, содержащего пять атомов углерода, к соответствующему участку существующей ароматической структуры.
В результате относительно крупная молекула получает ещё одно кольцо и превращается в фенален.
Здесь важно не воспринимать процесс как мгновенную сборку сложной молекулы из большого количества атомов. Исследование рассматривает конкретный химический переход между уже существующими молекулами и показывает, что такой переход может быть энергетически доступен даже в условиях холодного молекулярного облака.
Подобный механизм способен создавать разные ароматические структуры
Интересно, что MACA не является механизмом, предложенным исключительно для феналена.
Ранее аналогичный подход рассматривался для образования индена — другой полициклической ароматической молекулы, также обнаруженной в TMC-1. В этом случае формирование дополнительного кольца описывается аннуляцией [4 + 1].
Таким образом, речь может идти не об одном уникальном химическом пути, который случайно подходит конкретно для феналена, а о более общем классе реакций, способных увеличивать размер ароматического углеродного каркаса в холодной межзвёздной среде.
Что такое молекулярное облако Тельца
Чтобы понять значение результата, важно представить среду, в которой обнаруживаются подобные соединения.
Молекулярное облако Тельца — крупная область холодного межзвёздного газа и пыли, связанная с активными процессами звездообразования. Внутри таких облаков гравитация постепенно собирает вещество в более плотные структуры. В дальнейшем из наиболее плотных областей могут формироваться молодые звёзды.
TMC-1 особенно интересна для астрохимиков благодаря своему химическому составу. Это очень холодная область, в которой одновременно наблюдается большое количество различных молекул. Поэтому она стала своего рода естественной лабораторией для изучения химии ранних стадий звездообразования.
Важнейшая особенность заключается в том, что речь идёт о периоде, предшествующем полноценному формированию планетной системы. Поэтому молекулы, найденные там, позволяют исследовать химический состав вещества ещё до того, как оно окажется включено в будущие планеты, астероиды и кометы.
Химия начинается ещё до появления планет
Когда гравитация сжимает газ и пыль, из молекулярного облака постепенно формируется молодая звезда. Часть оставшегося вещества образует окружающий её диск, из которого впоследствии могут сформироваться планеты и малые тела.
Если сложные углеродные молекулы уже присутствуют в исходном облаке, часть этого вещества потенциально может перейти в последующие стадии формирования планетной системы.
Поэтому происхождение феналена интересно не только само по себе. Оно относится к более широкому вопросу: насколько сложной может быть химия вещества ещё до рождения планет.
Новое исследование указывает, что некоторые этапы усложнения углеродных молекул могут происходить уже на холодной стадии существования молекулярного облака.
Роль полициклических ароматических углеводородов в космосе
ПАУ представляют собой одно из важных семейств углеродсодержащих соединений межзвёздной среды. Их существование связывают с большим количеством наблюдаемых инфракрасных особенностей спектров различных космических объектов.
Однако исследователи долгое время сталкивались с проблемой: широкие инфракрасные полосы указывали на присутствие ароматического вещества, но определить конкретные молекулы по таким сигналам чрезвычайно трудно.
Наблюдение отдельных ПАУ с помощью радиоастрономических методов даёт гораздо более прямую информацию. Для конкретной молекулы можно искать характерные вращательные спектральные линии и сравнивать их с лабораторными и теоретическими данными.
Обнаружение феналена стало одним из таких случаев. Оно расширяет число конкретных ароматических молекул, присутствие которых удаётся установить в холодной межзвёздной среде.
Почему обнаружение отдельных молекул важнее одного общего спектра
Если наблюдается только совокупный спектральный сигнал, исследователи могут установить наличие определённого типа химической структуры, но не обязательно знают, какие именно молекулы ответственны за него.
Наблюдение отдельных соединений позволяет проверять конкретные химические модели.
Например, если модель предсказывает, что определённая реакция способна создавать фенален в условиях TMC-1, а астрономы действительно обнаруживают фенален там, это не доказывает автоматически, что именно эта реакция происходит в облаке. Но такая комбинация наблюдений и расчётов позволяет проверять, какие химические механизмы физически возможны.
В этом и состоит значение нового результата: расчёт показывает, что холодная среда сама по себе не исключает образование феналена через рассматриваемый реакционный путь.
Космическая пыль может стать местом для дальнейших реакций
Межзвёздное вещество состоит не только из газа. В нём присутствуют микроскопические частицы пыли, поверхности которых могут участвовать в химических процессах.
На поверхности пылинок молекулы способны взаимодействовать иначе, чем в свободном газе. Частицы могут удерживаться на поверхности, встречаться друг с другом и участвовать в последовательных реакциях.
Поэтому космическая пыль рассматривается как один из возможных центров химического усложнения вещества.
При этом нельзя утверждать, что именно поверхность пылинок обязательно является местом образования феналена, рассмотренного в новом исследовании. Работа посвящена газофазному механизму образования молекулы. Но существование сложной углеродной химии в холодной среде в целом делает процессы на межзвёздной пыли важной частью общей картины.
От простых молекул к органической химии
Межзвёздная химия не ограничивается образованием отдельных простых соединений. В холодных облаках уже обнаружено большое количество молекул, содержащих углерод, азот, кислород и другие элементы.
По мере увеличения размера молекул становится важным вопрос, какие механизмы способны собирать более сложные структуры.
Фенален интересен именно как пример такого усложнения. В его структуре уже несколько соединённых ароматических колец, а его образование можно рассматривать как очередной этап роста углеродного каркаса.
Это не означает, что фенален является непосредственным «предшественником жизни». Его химическая роль значительно скромнее: он показывает, что достаточно сложные углеродные структуры могут возникать в условиях, которые раньше считались неблагоприятными для подобных реакций.
Что известно о ПАУ в метеоритах и астероидах
Связь между межзвёздной химией и веществом будущих планетных систем интересна ещё и потому, что полициклические ароматические углеводороды обнаруживаются в образцах астероидного вещества.
Некоторые ПАУ, найденные в материалах астероидов и доставленные на Землю, имеют признаки происхождения или химического преобразования в условиях, существенно отличающихся от высокотемпературной химии земной поверхности. Это согласуется с представлением о том, что часть сложного углеродного вещества может формироваться или сохраняться на ранних этапах существования планетных систем.
Здесь, однако, необходимо разделять несколько разных процессов. Обнаружение сложной молекулы в астероиде не доказывает, что она была сформирована непосредственно в межзвёздном облаке. Она могла образоваться на другой стадии эволюции вещества. Поэтому связь между молекулярными облаками и астероидами рассматривается как предмет исследования, а не как установленная для каждой конкретной молекулы цепочка происхождения.
Может ли такая химия иметь отношение к возникновению жизни
Углерод занимает особое место в химии живых организмов благодаря способности образовывать огромное количество устойчивых соединений. Поэтому органические молекулы, найденные в космосе, часто рассматриваются в контексте происхождения сложной химии, предшествовавшей жизни.
Однако между обнаружением феналена и происхождением жизни существует огромная дистанция.
Фенален сам по себе не является биологической молекулой и не свидетельствует о наличии жизни. Исследование не показывает, что фенален породил какие-либо биологические процессы. Оно рассматривает исключительно механизм формирования конкретного углеводорода в условиях холодного молекулярного облака.
Значение результата заключается в другом: если сложные углеродные структуры способны возникать ещё до рождения планет, то химическое вещество, из которого впоследствии формируется планетная система, может быть существенно более разнообразным, чем предполагалось при моделировании только высокотемпературных процессов.
Почему это важно для ранней истории планет
Будущая планета формируется не из химически пустого материала. Она получает вещество из окружающего протопланетного диска, который, в свою очередь, формируется из материала молекулярного облака.
В процессе формирования звезды и планет вещество проходит через множество физических и химических условий. Часть исходных соединений разрушается, часть преобразуется, а некоторые могут сохраняться или снова образовываться.
Поэтому понимание химии до рождения звезды позволяет лучше определить исходные условия, из которых начинается последующая эволюция планетного вещества.
Это особенно важно для углерода: он может присутствовать в различных формах, и переход между ними способен влиять на химический состав будущих малых тел и планет.
Новая работа не отменяет прежние механизмы
Результат не означает, что все ПАУ в космосе образуются именно через MACA и что высокотемпературные процессы больше не нужны.
Исследование показывает существование конкретного низкотемпературного механизма, способного привести к образованию феналена. В космосе одновременно могут действовать различные химические пути, а их относительный вклад зависит от плотности газа, состава облака, наличия радикалов, излучения и других условий.
Поэтому более правильный вывод состоит в том, что низкая температура не исключает образование сложных ароматических молекул.
Это расширяет набор механизмов, которые необходимо учитывать в моделях химической эволюции межзвёздного вещества.
Расчёты — это ещё не прямое наблюдение реакции
Это принципиально важное ограничение работы.
Исследователи использовали компьютерные химические расчёты, включая расчёты электронной структуры и статистические методы для оценки поведения реакционной системы. Полученный механизм показывает, что рассматриваемая реакция физически возможна и энергетически благоприятна.
Но наблюдатель не видит в TMC-1 отдельные молекулы, которые можно было бы проследить от исходного вещества до феналена в реальном времени.
Поэтому обнаружение феналена и расчёт возможного пути его образования — два взаимодополняющих элемента научной картины, но не прямое доказательство того, что в конкретном облаке фенален образуется исключительно этим способом.
Что меняется в представлениях о химии холодного космоса
Главный результат исследования заключается в пересмотре одного из ограничений, которые использовались при моделировании образования сложных ароматических молекул.
Раньше высокая температура рассматривалась как важное условие многих процессов построения крупных ароматических углеродных структур. Теперь для феналена существует рассчитанный путь, который не требует преодоления входного барьера и может протекать в холодной среде.
Это особенно существенно потому, что фенален действительно наблюдается в холодном межзвёздном веществе. Таким образом, теория получает конкретный механизм, способный связать наблюдаемую молекулу с химическими процессами, совместимыми с физическими условиями облака.
В более широком смысле работа показывает, насколько необычной может быть химия в межзвёздном пространстве. Температура, близкая к абсолютному нулю, не превращает молекулярное облако в полностью химически неподвижную среду. Если существуют подходящие реакционноспособные частицы и энергетически доступные пути, сложные соединения могут продолжать формироваться.
Химическая история будущей планеты начинается раньше её рождения
Звезда появляется из холодного молекулярного облака, а планеты формируются уже из материала, оставшегося вокруг молодой звезды. Но химическая история этого вещества начинается ещё раньше.
В газе и пыли молекулярного облака происходят реакции, формируются новые соединения, меняется состав вещества. Часть этих молекул впоследствии может попасть в протопланетный диск и стать частью будущих астероидов, комет и планет.
Исследование феналена добавляет к этой картине важную деталь: некоторые достаточно сложные углеродные структуры способны появляться уже на холодной стадии, когда звезда и планеты ещё не сформировались.
Это не является доказательством существования жизни за пределами Земли и не означает, что фенален сам по себе является «строительным блоком жизни». Значение открытия гораздо фундаментальнее. Оно помогает понять, каким образом простая межзвёздная химия может постепенно становиться более сложной ещё до того, как из космического газа и пыли начнёт формироваться новая планетная система.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
