В космосе зарождается неожиданная химия. Оказывается, в космосе могут протекать органические химические реакции, о которых мы даже не подозреваем. Звучит двусмысленно, ведь космос велик, но ученые достаточно компетентны, чтобы знать, какие элементы могут образоваться спонтанно, а какие нет.
В 2012 году ученые обнаружили молекулы метокси-группы, содержащие углерод, водород и кислород в молекулярном облаке Персея в 600 световых годах от Земли. Однако ученые не смогли воспроизвести эти молекулы в лабораторных условиях, позволяя реагентам конденсироваться на частицах пыли, тем самым оставив в тайне процесс образования этих молекул.
Ответ был найден в квантовых странностях, которые позволяют молекулам образовываться в пространстве, вопреки классическим правилам химии. Короче говоря, межзвездное пространство — это своего рода квантово-химическая лаборатория, в которой может появиться целый ряд разнообразных органических молекул, которые астрономы и обнаружили в космосе.
Из-за холодных температур в межзвездных облаках молекулярного газа, барьер активации большинства химических реакций казался слишком высоким. Низкая температура не позволяет молекулам, дрейфующим в пространстве, набрать энергию, необходимую для разрыва связей, но определенные реакции все же могут возникать в процессе того, как различные молекулы прилипают к поверхности космических пылинок. У них может быть достаточно времени, чтобы набрать энергию, необходимую для реакции.
«Есть определенный закон, который гласит, что если вы понижаете температуру, скорость реакции замедляется», — говорит Дуэйн Херд из Университета Лидса.
Но метокси- может также создаваться путем объединения гидроксильных радикалов и метанолового газа, которые присутствуют в космосе, с помощью процесса квантового туннелирования, который может дать гидроксильным радикалам шанс «проскочить» через энергетический барьер, вместо того чтобы преодолевать его. Херд и его коллеги обнаружили, что, несмотря на присутствие барьера, коэффициент скорости реакции между гидроксильными радикалами (OH) и метанолом — одной из самых распространенных органических молекул в космосе — почти на два порядка выше при -210 градусов по Цельсию, нежели при -73 градусов по Цельсию. При низких температурах, когда молекулы замедляются, увеличивается шанс туннелирования.
«При нормальной температуре они просто сталкиваются друг с другом, но при низких температурах они тусуются вместе довольно долго», — говорит Херд.
Команда также отметила формирование радикальной молекулы метокси-, созданной образованием связанного водородом комплекса, который жил достаточно долго, чтобы пройти через квантово-механическое туннелирование. Они пришли к выводу, что этот механизм туннелирования для окисления органических молекул группой OH широко распространен в низкотемпературных межзвездных условиях. Реакция происходила в 50 раз быстрее при помощи квантового туннелирования, чем при обычной комнатной температуре. Пустой космос намного холоднее, чем -210 градусов по Цельсию, но в облаках межзвездной пыли такая температура вполне может иметь место.
«Мы показываем, что в космосе могут протекать такие реакции органической химии, которых вы даже не ожидали там увидеть», — говорит Херд.
Изображение выше показывает молекулярное облако Персея на микроволновых длинах, принятых космическим аппаратом Планком, который видит движение электронов через Млечный Путь и то, как пыль согревается светом звезд. Эти компоненты межзвездной среды изучали на микроволновой длине волны на протяжении десятков лет. Электроны, как известно, излучают в основном радиоволны (низкие частоты), в то время как пылинки излучают в дальнем инфракрасном спектре (высокие частоты).
В 1990 году наблюдалось излучение, которое не могли объяснить, и оно стало известно как «аномальное микроволновое излучение». Предлагалось несколько теорий его происхождения, но теперь охват длины волны низкочастотных инструментов Планка идеально подходит для наблюдения и характеристики этого излучения.
Преимущество в том, что сочетание инструментов Планка дает гораздо более широкий охват длин волн, что позволяет разделить аномальное излучение на компоненты и лучше понять его составляющие. Напомним, что именно на основе анализа излучения ученые делают выводы о химическом составе объектов глубокого космоса.
«В настоящее время мы практически уверены, что излучение связано с вращение наномасштабных пылинок, которые вращаются до десяти тысяч миллионов раз в секунду, — рассказал Клайв Дикинсон из Университета Манчестера. — Это самые маленькие из известных пылинок, содержащие от 10 до 50 атомов; раскручиваясь при столкновении с атомами или фотонами, они испускают излучение на частотах между 10 и 60 ГГц».
Не так давно зонд Stardust поймал семь похожих частиц из межзвездного пространства. Ученые получают все больше и больше данных для близкого анализа всевозможных элементов глубокого космоса.
