Моделирование космоса для изучения великой тайны межзвездной химии
Вселенная старше 13 миллиардов лет, а космос часто изображают как обширный пустой вакуум. Кроме планет и звезд, там ничего нет, верно? На самом деле, космос заполнен сложными углеродными молекулами. Однако спектр этих молекул и химия их образования остаются в значительной степени загадкой.
Существовали интригующие намеки на сложную астрохимию. Например, пребиотические молекулы, такие как аминокислоты и нуклеиновые основания, были обнаружены в метеоритах — самый известный упал в 1969 году возле Мерчисона, примерно в 140 км к северу от Мельбурна.
Но чтобы понять молекулярный состав космоса, астрономы и астрохимики должны выйти за рамки анализа метеоритов, случайно падающих на Землю.
Для этого астрономы измеряют звездное излучение с помощью телескопов, а другие ученые моделируют межзвездные условия в лаборатории.
Наблюдение за астрономическими молекулами
Из примерно 240 молекул, обнаруженных в космосе, большинство были выявлены с помощью радиотелескопов.
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) — самый большой из когда-либо запущенных космических телескопов — предназначен для получения изображений очень далеких объектов и излучения химических веществ в среднем инфракрасном диапазоне, что можно использовать для идентификации элементов и молекул.
Высокая чувствительность и разрешение JWST уже позволили сделать несколько недавних знаковых наблюдений астрономических молекул, которые помогают раскрыть природу и происхождение химической сложности во Вселенной.
К ним относятся недавние свидетельства существования сложных органических молекул в галактике SPT0418-47, расположенной в 12,3 миллиарда световых лет от нас — самых далеких и древних органических молекул из когда-либо обнаруженных.
Эти молекулы представляют собой полиароматические углеводороды (PAHs), состоящие из двух или более конденсированных ароматических колец углерода. Они повсеместно распространены на Земле, встречаются в живых системах, ископаемом топливе и участвуют в химии, связанной с происхождением жизни.
Другое ключевое открытие — наблюдение метильного катиона метилиума (CH3+) в диске вокруг новообразованной звезды.
Эта область подвергается интенсивному ультрафиолетовому излучению горячей молодой звезды, что обеспечивает энергию, необходимую для образования CH3+. Эта молекула имеет структуру, эквивалентную метану минус один атом водорода, и играет важную роль в образовании более сложных углеродных молекул.
Эти и другие ингредиенты для сложной химии выбрасываются новыми, сверхновыми и другими массивными космическими событиями в обширную область между звездами — межзвездную среду.
Хотя мы не можем просто преодолеть световые годы, чтобы собрать и изучить межзвездные молекулы, астрономы могут обнаруживать молекулы в межзвездной среде, собирая свет, излучаемый звездами.
Поскольку свет проходит такое огромное расстояние, прежде чем достигнуть детекторов на Земле, у него есть значительный шанс быть поглощенным молекулами в межзвездных облаках.
Длины волн поглощенного света дают спектр, содержащий «отпечатки пальцев» молекул в космосе.
Интригующе, что в видимой и ближней инфракрасной области спектра было обнаружено более 500 линий поглощения, известных как диффузные межзвездные полосы (DIBs). Несколько самых заметных DIBs впервые наблюдала аспирантка Мэри Ли Хегер в 1919 году в Ликской обсерватории в Калифорнии (США), с тех пор было открыто еще много DIBs.
Из чего состоят межзвездные молекулы?
Хотя теперь ясно, что DIBs возникают из-за молекул в межзвездной среде, структура и состав молекул, ответственных почти за все DIBs, остаются загадкой.
Фактически, только одна молекула была идентифицирована как источник каких-либо особенностей в спектрах DIBs — углеродный кластер бакминстерфуллерен (C60+), который выглядит как крошечный футбольный мяч.
Поскольку C60+ — единственный подтвержденный носитель DIB, разумно ожидать, что другие DIBs могут быть вызваны крупными углеродными кластерами, состоящими из 10–100 атомов.
Углеродные кластеры имеют разнообразный размер и молекулярную форму; однако широкий спектр возможных структур осложняет их обнаружение.
Моделирование космоса
В подвале химического корпуса в Лаборатории лазерной спектроскопии доктор Сэмюэл Марлтон, аспирант Чанг Лю и профессор Эван Бизке используют самодельную установку для генерации, разделения и изоляции отдельных структур углеродных кластеров в газофазных условиях, напоминающих холодный вакуум космоса.
С помощью этой установки команда сравнивает астрофизические данные, измеренные астрономами, с лабораторными данными для конкретных структур углеродных кластеров.
В недавней работе, опубликованной в Journal of Physical Chemistry A, исследовательская группа изучила спектры поглощения колоссальных углеродных колец — углеродных агрегатов, содержащих от 14 до 36 атомов, расположенных в виде плоских колец.
В этой работе они нашли свидетельства того, что углеродное кольцо C14+ (состоящее из 14 атомов углерода) может вносить вклад в спектры DIBs.
Это захватывающий результат, потому что почти все из более чем 500 DIBs обусловлены молекулами, которые остаются неидентифицированными, что иллюстрирует сохраняющиеся тайны молекулярного состава межзвездного пространства.
Хотя JWST проводит астрономические измерения на более низкой энергии, чем сообщалось здесь, оба подхода являются частью проекта по обнаружению межзвездных молекул с помощью комбинированных астрономических и лабораторных исследований.
Вместе эти методы только начинают раскрывать, что находится там, во Вселенной, и это нечто гораздо большее, чем пустое пространство.