«Пока речь идет о простеньких молекулах»

Дом, который построил ион водорода

Дмитрий Вибе и газопылевое облако Стрелец B2

Republic/NASA/Indicator.Ru

Что является драйвером межзвездной химии, почему «самую первую молекулу во Вселенной» нашли не там, где надо, и в каком месте у астрохимиков находится «милый дом» — во второй части интервью с Дмитрием Вибе.

В прошлой части интервью для Indicator.Ru и Mendeleev.Info мы поговорили о нуклеосинтезе во Вселенной. Переместимся теперь во времени и пространстве.

— Давай все-таки теперь перейдем к «химической астрохимии», когда атомы соединяются в молекулы. Как сейчас обстоят дела с этим? Много ли молекул найдено в космическом пространстве?

— Сложно сказать. Двести молекул — это много или мало?

— По сравнению с тем, что было известно два десятка лет назад, например.

— Много. И процесс идет, открываются новые молекулы. И что важно, процесс поиска начал распространяться на разные объекты. Это связано с тем, что долгое время мы занимались тем, что называется «поиск под фонарем». До недавнего времени у нас был один объект вблизи центра Галактики, молекулярное облако Стрелец B2 (N), там много излучения, там плотный газ, много космических лучей, высокая температура — очень хорошие условия для синтеза сложных молекул. И когда астрономы хотят найти что-нибудь новое, они смотрят туда.

— Это эмиссионные или поглотительные спектры?

— В основном эмиссионные, хотя и поглотительные тоже есть. Так вот там весьма велика вероятность найти что-то новое. Однако со временем это стало становиться не очень интересным. У тебя там варится некий суп, там известно некоторое количество приправ — и ты нашел еще одну приправу, еще одну. Хорошо, но уже скучно. Возникает вопрос: насколько это представительно, что это говорит обо всей остальной Вселенной. Надо смотреть еще куда-то.

Почему смотрели туда? Во-первых, яркий источник, а во-вторых, есть гарантия успеха. Ведь за наблюдательное время нужно чем-то отчитываться.

Сейчас же телескопов стало побольше, их чувствительность растет и появляется возможность смотреть в другие места. И радостно обнаруживать, что там — то же самое.

Понятно, что это все имеет некий астробиологический интерес, с точки зрения эволюции вещества… Ну нашли (с придыханием, — прим. Indicator.Ru) этиловый спирт. Это важно. В газетах появляются сообщения, люди высчитывают, сколько его можно выпить. Но с другой стороны — ну этиловый спирт, и что? Даже пару раз появлялись сообщения о том, что нашли глицин — простейшую аминокислоту. Никакого смысла пока что для вопроса происхождения жизни эти находки не несут. Кроме, конечно, магического слова «аминокислота». Никакого смысла — до тех пор, пока ты не начинаешь эти молекулы называть «пребиотическими». Когда ты называешь их так, то уже начинают проводить некие параллели с тем, что происходит на Земле.

Кстати, в этом контексте то самое облако в Стрельце называют Large Molecular Héimat. Что по англо-немецки означает «большой молекулярный дом, милый дом». Там много молекул — но нам-то что с того. И вот наконец в последние годы мы стали видеть сложную (по астрономическим меркам) органику в протопланетных дисках.

Там уже найдены молекулы из пяти, из шести атомов. Я понимаю, что с точки зрения биологии это обхохотаться, но процесс идет в ту сторону.

Суммируя — расширяем круг объектов, начинаем видеть все больше молекул во все большем количестве мест.

— А есть ли шанс в обозримом будущем (чтобы мы с тобой дожили) увидеть какую-то химию на экзопланетах?

— Ну, пока что это не очень интересно для астробиологии, но уже существует достаточно большое количество наблюдений химического состава атмосфер горячих юпитеров. Причем молекулярного состава: вода, CO2, CO, метан… Это все хорошо наблюдается в ближнем инфракрасном диапазоне, причем там люди говорят, что видят инверсию температуры на планетах, климат начинаем видеть… Но все-таки пока речь идет о простеньких молекулах. Есть, по-моему, одно наблюдение атмосфер экзопланет, не связанное с горячими юпитерами, это система HR8799 в созвездии Пегаса, где юпитеры оказались настолько далеко от звезды, что их можно наблюдать самостоятельно. И там тоже получены спектры, что-то просматривается до ацетилена.

Пока это все, и дальнейшие наблюдательные перспективы скромные — если говорить о том, что с большей или меньшей вероятностью будет работать. Пока что главный маяк — это телескоп JWST (James Webb Space Telescope, — прим Indicator.Ru), который сравнительно скоро полетит (пока запуск намечен на 2021 год, но он уже переносился множество раз, — прим. Indicator.Ru), он будет достаточно чувствительным и будет много видеть.

— Насколько я помню, JWST — инфракрасный телескоп?

— Да, там удачно совпало, что основные молекулярные полосы расположены в ИК-области, и контраст со звездой там гораздо меньше. Но я думаю, что для кардинального скачка потребуются инструменты совсем другого уровня. Такие проекты есть, что-то народ уже считает, но это должен быть очень дорогой и очень специализированный телескоп. То есть нужно создать некую штуку раз в десять сложнее JWST, которая будет заниматься только этой задачей.

— Итак, мы прошлись от Большого взрыва к звездам, от звезд — к молекулярным облакам, протопланетным дискам и экзопланетам. Перейдем буквально к héimat. Четыре года назад мы увидели с близкого расстояния Плутон, в эту новогоднюю ночь — Ультиму Туле… Там есть интересная химия?

— Если говорить о химическом составе, то больше интересного было с миссией аппарата Rosetta и кометой Чурюмова — Герасименко, потому что там на окраинах химия достаточно простенькая, речь идет о простых молекулах, там — вода, CO, СO2… Ну и оно интересно для химии планетной, а не астрохимии. А вот когда мы начинаем смотреть на кометные ядра вблизи, мы начинаем видеть более количественно и начинаем видеть более сложные молекулы, в кометах уже нашли весьма много сложной органики.

И что интересно, есть некоторые указания, что вещество комет — это состав, унаследованный от досолнечного вещества. То есть чем интересна эта задача: с одной стороны, мы сейчас начинаем смотреть на протопланетные диски с достаточным угловым разрешением, а с другой, с близкого расстояния изучаем кометные ядра, эдакие консервы протосолнечной туманности, смотреть на образование планетных систем с двух сторон — и чтобы эти данные в итоге еще сошлись.

— Один из важнейших вопросов, который стоял перед Rosetta — с водой: была попытка узнать, не с комет ли к нам пришла вода. Кажется, что-то не сошлось снова?

— Действительно, у астрохимиков есть интересная проблема: откуда на Земле появилась вода. Потому что на Венере ее не очень много, на Марсе она то ли была, то ли нет, куда-то ушла. А на Земле у нас все хорошо, несмотря на то, что она близко к Солнцу.

Здесь тоже есть разные нюансы. Нас ведь не интересует вода вообще. Например — вода в мантии, где воды может быть очень много в связанном виде. Нам интересна вода на поверхности.

Она могла прийти из мантии, могла прийти извне. В том, чтобы она пришла извне, ничего чудесного нет: мы знаем, что в ранней Солнечной системе происходили разные подвижки, которые взбаламучивали астероиды. В их составе много воды, и нет ничего удивительного, что вся эта толпень могла увлажнить Землю.

Изначально самым перспективным поставщиком воды на Землю считались кометы, поскольку кометы — это грязный лед. Но потом начали измерять содержание полутяжелой воды HDO (D обозначается дейтерий, — прим. Indicator.Ru) в кометах, и оказалось, что оно в несколько раз больше, чем содержание полутяжелой воды в океанах Земли. И в результате астрономы начали говорить, что источником были не кометы, и надо искать другой источник. Например, хондриты, метеориты, в составе которых весьма достаточно воды.

Есть даже такая легенда, что когда Йенсу Якобу Берцелиусу принесли на анализ хондрит, то он его чуть не выкинул, ибо решил, что его дурят, подсунув ему обычный камень, глину.

В хондритах много связанной воды, и у нее изотопный состав такой, какой надо. Но вопрос не закрыт. Почему?

С одной стороны, есть метеориты, у которых изотопный состав какой надо, и нет никаких проблем с тем, чтобы принести эту воду на Землю в больших количествах. С другой стороны, другие астрономы сказали: вы вычеркиваете кометы после шести измерений? Маловато будет! И — «комета Чурюмова — Герасименко прийде, порядок наведе». Прямо на ней измерим!

Оказалось, что у кометы Чурюмова — Герасименко содержание полутяжелой воды еще в несколько раз выше, чем измерялось на предыдущих кометах. Появилось еще третье значение — и пока неясно.

— За счет чего такая разница-то соотношения водорода к дейтерию?

— Кто знает. Это может быть унаследовано от первоначального состава протопланетного облака. Мы в молекулярных облаках видим, что химия дейтерия живет в них своей жизнью и соотношение H2O к HDO никак не определяется космологическими причинами.

Химия в космосе в значительной степени инициируется ионом H3+. Эта молекула запускает формирование двух-, трех- и четырехатомных молекул, и она начинает взаимодействовать с HD, образуется ион H2D+, который сам запускает свои цепочки реакций. И в итоге, например, для формальдегида количество HDCO по отношению к H2CO исчисляется десятками процентов, хотя космологическое содержание дейтерия по отношению к водороду составляет 10-5. А обратная реакция, H2D+ плюс H2 равняется H3+ плюс HD, — эндотермична, в результате дейтерий «перекачивается» из HD в молекулы, и эффективность этой перекачки зависит от температуры.

— В апреле по мировым СМИ прошла новость о том, что химики обнаружили «самую первую молекулу во Вселенной» — HeH+. Что ты можешь сказать по этому поводу?

— Ну если бы «самую первую»… Однако самая первая молекула, которая в принципе могла бы образовываться после Большого взрыва, — это действительно HeH+, но нашли ее немного не там, где хотелось бы, — в планетарной туманности, в нашей Галактике. Доказали, что она в принципе может существовать — самая первая молекула в химии нашей Вселенной.

— А почему первой молекулой должна была стать HeH+, а не H2?

— Водород — молекула пакостная. У нее есть несколько особых свойств. В газовой фазе она формируется очень медленно. Это глобальная штука — если у нас есть два нейтральных атома, их очень сложно объединить в молекулы. Очень важно: первой молекулой стала не НеН, а HeH+. Один из реагентов должен быть ионом. Как я говорил, H3+ — драйвер межзвездной химии. Это ион. Слепить молекулу из двух нейтральных атомов или двух ионов в условиях газовых облаков невозможно. В случае ионов у нас будет кулоновское отталкивание, а в случае нейтральных атомов происходит упругое столкновение, и атомам гораздо больше «хочется» разлететься обратно, чисто за счет кинетической энергии. В нашей современной Вселенной эта проблема решается за счет пыли, есть третье тело — пылинка, которая берет на себя избыток энергии. В газовой фазе это возможно только в трехчастичных реакциях, когда происходит столкновение трех атомов.

Продолжение следует

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.