Физики выяснили, как сложные органические молекулы могут образовываться в космосе

Полициклические ароматические углеводороды могут образовываться в результате радикально-радикальных реакций при экстремально низких температурах — в том числе в космическом пространстве, выяснили ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) вместе с коллегами из США. Это еще один аргумент в пользу гипотезы, что органические молекулы, необходимые для зарождения жизни, широко распространены во Вселенной, а значит живые организмы могут возникнуть во многих уголках космоса. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Nature Communications.

«Сто лет назад и даже меньше мы считали космос безжизненным, думали, что в космическом пространстве есть только атомы и простые молекулы: вода, углекислый газ, кремниевая или углеродная пыль. Все это находится в экстремальных условиях: жуткий холод и губительное космическое излучение или, наоборот, высокие температуры и давления в недрах Звезд и их окружениях. Казалось, что в таких условиях нет условий для появления сложных органических молекул, а жизнь может зародиться только в “тихой гавани”, в узкой зоне обитаемости, в которую попала Земля. Однако теперь мы знаем, что во Вселенной есть множество сложных органических соединений — первых “кирпичиков” органической жизни, которые способны дать старт развитию жизни во многих уголках там, где есть условия для его развития и поддержания», — говорит соавтор исследования доктор физико-математических наук Валерий Азязов, заместитель руководителя Центра лабораторной астрофизики ФИАН.

Чтобы выяснить возможные пути появления органики в космосе, в ФИАНе на средства мегагранта Минобрнауки РФ был создан Центр лабораторной астрофизики под руководством профессора Гавайского университета в Маноа Ральфа Кайзера.

В числе задач центра был поиск путей синтеза полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) — так называют класс соединений, в структуре которых есть спаянные бензольные кольца. Простейший ПАУ – бензол – содержит только одно такое кольцо.

Интерес к синтезу этих соединений первоначально был вызван тем, что ПАУ в большинстве являются канцерогенами, то есть провоцируют рак. Впервые на них обратили внимание из-за карциномы трубочистов, которую провоцировала сажа, представляющая собой смесь разнородных ПАУ.

В земных условиях ПАУ синтезируются при высокой температуре, например, при горении топлива в камерах сгорания двигателей или во время пожаров. Однако этих веществ много и в космосе: оценки показывают, что около 20 процентов углерода во Вселенной находится в составе ПАУ. Ученые обнаруживают их, анализируя спектры инфракрасного излучения от относительно холодных объектов — молекулярно-пылевых облаков и туманностей, где идут процессы звездообразования. Кроме того, ПАУ были обнаружены на комете Чурюмова-Герасименко с помощью космической станции «Розетта». Эти же соединения обнаруживают в составе метеоритов с большим содержанием углерода — хондритов.

Реакций образования ПАУ множество. Ученые шаг за шагом раскрывают реакционные пути их образования с использованием сложных квантово-механических моделей и проводят эксперименты в условиях максимально приближенных к условиям глубокого космоса. Радикально-радикальные реакции — это реакции с участием радикалов, которые образуются в результате разрыва химической связи молекул за счет высокой температуры, излучения, облучения и так далее. Например, при горении первичные радикалы образуются за счет высокой температуры.

В глубоком космосе же, наоборот, крайне низкие температуры. Поэтому ученые предполагают, что там радикалы образуются за счет воздействия галактических космических лучей. Высокоэнергетические частицы на пути своего распространения образуют во льду узкий след, в котором одномоментно зарождаются сотни и тысячи возбужденных молекул, атомов, ионов, осколки молекул и вторичные электроны. Все они начинают реагировать как между собой, так и с окружением, образуя различные продукты, в том числе сложные органические молекулы.

Ученые ФИАН со своими коллегами из США провели квантово-химические вычисления и эксперимент, в котором сталкивали между собой бензильные радикалы в лабораторных условиях. В продуктах реакций они выделили ПАУ, которые образовались в результате радикально-радикальной реакции.

«Число реакций, задействованных в образовании ПАУ, достаточно велико и сейчас изучена только незначительная часть из них — только самые простые. Реакция, которую мы изучили, интересна тем, что в ней участвуют два больших циклических бензильных радикала, в продуктах которых экспериментально обнаружено трициклическое соединение антрацен (C₁₄H₁₀). Ранее его образование не объяснялось другими механизмами реакций. В работе предложен новый, ранее неизвестный путь образования молекулы антрацена через динамику возбужденного состояния на триплетной поверхности посредством циклоприсоединения, который представляет собой фундаментальный сдвиг в современной парадигме синтеза многокольцевых структур в газовой фазе, расширяя наше понимание происхождения и эволюции углеродистого вещества во Вселенной», — рассказывает Валерий Азязов.

Химическая модель Вселенной далека от завершения. Имеющиеся базы по физико-химическим константам процессов в космосе требуют заполнения их детальными механизмами реакций. Над этим будет работать не одно поколение ученых, прежде чем мы будем достаточно точно объяснять и предсказывать химическую эволюцию Вселенной.