Крупные углеродсодержащие молекулы широко распространены в космосе: их находят вокруг умирающих звезд, внутри межзвездных облаков и в материале, доставленном с богатых углеродом астероидов. Проблема заключалась в том, чтобы объяснить, как они успевают формироваться достаточно быстро. Новое лабораторное исследование выявило реакцию, способную создавать несколько химических связей за один шаг, предлагая более быстрый путь к сложным молекулам, которые наблюдают астрономы.
Речь идет о полициклических ароматических углеводородах, или ПАУ. Они состоят из связанных углеродных колец с присоединенным по краям водородом. Существующие модели часто строили их, добавляя атомы углерода по одному, — медленный процесс, который с трудом воспроизводил их изобилие в горячих звездных средах и в образцах, таких как доставленные с астероида Рюгу.
Исследователи из Гавайского университета в Маноа совместно с коллегами с Тайваня и из Франции проверили реакции при температурах, близких к тем, что наблюдаются вокруг стареющих звезд. Их эксперименты выявили последовательность присоединения арильного радикала с последующей дегидроциклизацией — цепочку, которая позволяет сформировать несколько новых связей в ходе одной быстрой реакции.
В лабораторных реакциях образовалось несколько крупных ПАУ, которые предсказывались химическими моделями, но были труднообъяснимы с помощью прежних путей. Вместо сборки кольцевой системы через длинную цепь отдельных присоединений новый маршрут позволяет меньшим углеродным фрагментам перестраиваться и замыкать кольца более эффективно.
Такая скорость меняет представления ученых об углеродной химии между звездами. Молекулы, образованные вблизи умирающей звезды, могут попадать в окружающий газ и пыль, где они выживают, распадаются или становятся частью нового материала. Часть этого материала позже входит в состав молодых звездных систем и твердых тел, которые вырастают в планеты и астероиды.
Результат не доказывает, что жизнь зародилась в космосе, и не описывает биологический процесс. Он устраняет химическое узкое место: как обычные углеродсодержащие фрагменты могут превращаться в стабильные сложные структуры в условиях, слишком горячих и реакционноспособных для многих привычных лабораторных реакций.
Исследование также дает астрономам более реалистичный набор молекул для поиска в астрономических спектрах. Если новый путь действует в тех средах, для воспроизведения которых были разработаны эксперименты, будущие наблюдения смогут проверить, появляются ли предсказанные ПАУ с ожидаемым составом и изобилием.
Связывая лабораторную реакцию с молекулами, встречающимися по всей Вселенной, работа заполняет недостающий шаг между простыми углеродными соединениями и более богатой химией звезд, облаков, астероидов и формирующихся планетных систем.
От звездной пыли к планетам: углеродное путешествие через космос
Полициклические ароматические углеводороды — настоящие космические долгожители. Они присутствуют везде, куда способен заглянуть телескоп: в атмосферах умирающих красных гигантов, в плотных молекулярных облаках, где рождаются звезды, и в примитивных телах Солнечной системы. Их вездесущность говорит о том, что это не случайный побочный продукт, а фундаментальный элемент космической химии.
Тем удивительнее было осознавать, что у науки нет убедительного объяснения их происхождения. Медленные модели, добавляющие атомы по одному, работали в теории, но расходились с реальностью: в горячих и турбулентных средах звезд такие процессы просто не успевали бы произойти за время жизни звезды.
Новое открытие устраняет это противоречие. Реакция, позволяющая замыкать сразу несколько колец, снимает ограничение по времени. Углерод, выброшенный умирающей звездой, может почти мгновенно организоваться в сложные структуры, которые затем отправляются в межзвездное пространство.
Для астробиологии это открытие важно не потому, что приближает нас к жизни, а потому, что объясняет, как во Вселенной накапливается органический материал. ПАУ — не живые молекулы, но они создают химическую основу, из которой при благоприятных условиях могут возникнуть более сложные соединения, включая аминокислоты и нуклеотидные основания.
Связь с образцами астероида Рюгу особенно показательна. Анализ этих фрагментов показал, что ПАУ в них образовались в далеком прошлом, задолго до формирования Солнечной системы. Новый механизм объясняет, как эти молекулы могли возникнуть вокруг древних звезд и затем встроиться в строительный материал планет.
В конечном счете эта работа напоминает: углерод в наших телах проделал невероятный путь — от ядра умирающей звезды через межзвездные облака и астероиды к поверхности молодой Земли. И теперь наука понемногу восстанавливает каждый этап этого путешествия.
Источники: исследование Университета Гавайев в Маноа, публикации о химии ПАУ в межзвездной среде, данные анализа образцов астероида Рюгу.
Ваш комментарий