Астрономы используют телескопы для поиска молекул в атмосферах соседних планет, в туманностях (облаках межзвездной пыли и газа) за сотни и тысячи световых лет от нас, а также в галактиках за пределами Млечного Пути.
На сегодняшний день (менее чем за сто лет, с момента первого обнаружения такой молекулы в 1937 году) ученые нашли более 350 молекул в пространстве между звездами и вокруг них. Каждый год космическая химическая «кладовая» пополняется от нескольких до пары десятков новых находок. Многие из этих молекул являются предшественниками биомолекул — то есть они могут дать ключ к разгадке происхождения жизни в других уголках космоса.
Как астрохимик, я изучаю вещества, найденные в космосе, особенно в далеких облаках, где рождаются молодые звезды. Но даже меня никогда не перестают изумлять точные наблюдения, которые делают эти телескопы.
С нынешним бумом астрохимических данных есть чему радоваться. Однако иногда эта радость бывает преждевременной. Найти молекулы в местах, которые люди, вероятно, никогда не посетят, — непростая задача. Поэтому проверка, а иногда и исправление результатов наблюдений — это непрерывный процесс, особенно для молекул, чьи сигналы не очень сильны.
Как «увидеть» молекулы в космосе?
Астрономы не могут посетить соседние планеты, не говоря уже о далеких звездообразующих регионах. Так как же они узнают, что там есть?
Они наблюдают космос с помощью телескопов, собирающих электромагнитную энергию разных длин волн. Для астрохимии обычно используют радиотелескопы. Эти инструменты, похожие на спутниковые антенны, «видят» радиоволны, длина которых намного больше, чем может воспринять человеческий глаз.
Когда молекулы в виде газа свободно вращаются в космосе, они испускают энергию в виде фотонов (электромагнитных частиц). Разные типы вращения требуют разных уровней энергии. Каждый фотон несет эту энергию к телескопу, который регистрирует сигнал. Чем больше фотонов с данной энергией, тем сильнее сигнал. Если радиотелескоп регистрирует все ожидаемые сигналы для данной молекулы (ее спектр), астрономы могут с уверенностью сказать, что они ее обнаружили.
Инфракрасные телескопы (например, James Webb) или телескопы, работающие в видимом свете (например, Hubble), также используются в астрохимии. Однако оба типа телескопов собирают химические сигналы, которые часто труднее различить.
Знать, что искать
За каждым открытием новой молекулы в космосе стоят месяцы или даже годы работы по получению «отпечатков пальцев» этой молекулы (ее спектра). Я провел около года за такой работой в Кёльнском университете. Там я использовал компьютерные модели химических веществ, интересных с астрофизической точки зрения, чтобы предсказать, как будут выглядеть их спектры. В лаборатории я вводил эти вещества в стеклянную трубку с вакуумом, имитируя космические условия, и записывал, что увидел бы радиотелескоп, если бы смотрел только на эту молекулу.
Мы с коллегами перепроверяли ранее найденные молекулы и искали новые, которые, по нашим прогнозам, могли существовать в космосе. Мы снова и снова настраивали компьютерные модели, пока смоделированные спектры не совпадали с экспериментальными данными. Это означало, что модели надежно предсказывают «отпечаток» молекулы в космосе, что позволяет астрономам обнаруживать химические сигнатуры на частотах, за пределами лабораторных измерений.
Хотя моя работа в Кёльне не привела к открытию новой молекулы, я проникся уважением к труду, стоящему за такими открытиями. Лабораторные измерения делаются именно для того, чтобы астрономы могли быть уверены в своих обнаружениях.
Когда обнаружения становятся сомнительными
Даже с мощными радиотелескопами и тщательными экспериментами некоторые обнаружения не так однозначны, как хотелось бы. Иногда сигналы слишком слабы, или слишком много сигналов разных молекул накладываются друг на друга.
Ученые обнаружили в кометах и атмосферах планет молекулы, важные для биологических процессов на Земле. Это захватывающе, но большинство ученых проявляют осторожность, чтобы не впадать в эйфорию, потому что такие молекулы могут существовать и без живых организмов. Однако иногда восторг берет верх, и появляются преждевременные выводы.
История одной ложной тревоги: глицин
Пожалуй, одно из самых громких «неоткрытий» в астрохимии случилось более 20 лет назад с глицином — простейшей аминокислотой, молекулой, незаменимой для жизни в нашем понимании. Находка глицина в туманности изменила бы представления об эволюции «ингредиентов» жизни. Однако последующие исследования показали, что в первоначальном сообщении отсутствовали ключевые сигналы. Теперь астрохимики в целом согласны с тем, что глицин не был найден в звездообразующих туманностях.
Вторая горячая дискуссия: фосфин на Венере
Более свежий пример — потенциальное обнаружение фосфина в атмосфере Венеры. В отличие от глицина, ученые до сих пор не пришли к единому мнению, присутствует ли там фосфин (который на Земле связан с некоторыми биологическими процессами). Первые сообщения вызвали бурные разговоры о биосигнатурах и возможной жизни на более горячей сестре Земли. Однако последующие исследования не смогли подтвердить первоначальные результаты. Уже пять лет ученые продолжают попытки подтвердить или окончательно опровергнуть наличие фосфина на Венере.
Кейс с фосфином на Венере стал настоящей проверкой на прочность для всей научной методологии. Он показал, как быстро первоначальный ажиотаж может заслонить собой строгие стандарты доказательств. С одной стороны, сама постановка вопроса — а может ли там быть жизнь? — подстегнула поток финансирования в исследования Венеры, которая долгое время находилась в тени Марса. С другой стороны, волна непроверенной информации породила в СМИ и соцсетях сотни заголовков, которые сейчас воспринимаются как «фейк», хотя изначально это была гипотеза.
Что же мы уяснили из этих уроков? Во-первых, надежность обнаружения напрямую зависит от количества независимых сигналов. Обнаружения, основанные на одном или двух сигналах, как правило, гораздо менее надежны, чем те, что опираются на пять и более сигналов. Если вы видите заголовок «Найдены признаки жизни!», стоит подождать хотя бы несколько месяцев, пока стихнет первоначальный шум, и поискать в интернете, какие новые результаты появились в поддержку или опровержение исходного заявления.
Во-вторых (и это самое интересное), парадокс современной астрохимии заключается в том, что открытий становится так много, что наука просто не успевает их перепроверять с должной тщательностью. Мы живем в эпоху «больших данных» телескопов, когда любой исследователь с доступом в интернет может скачать спектры той же Туманности Ориона и попытаться найти там что-то новое. Это привело к взрывному росту числа препринтов, многие из которых, будучи формально верными, могут содержать артефакты обработки сигнала. Не случайно в последние годы все чаще звучат призывы к созданию «службы астрохимического аудита» — группы ученых, чьей единственной задачей было бы не открывать новое, а проверять уже заявленное.
Но есть и третья, более глубокая проблема. Когда мы ищем молекулы — предшественники жизни, мы даже не знаем точно, что ищем. Мы исходим из земной биохимии: аминокислоты, сахара, липиды. Но кто сказал, что жизнь (если она существует где-то еще) должна использовать именно этот алфавит? Мы рискуем быть похожими на человека, который ищет потерянные ключи под фонарем, потому что там светлее. Наши телескопы настроены на определенные длины волн, наши лаборатории синтезируют определенные соединения. Возможно, самые важные «кирпичики жизни» — это какие-то экзотические кремнийорганические цепи или молекулы в сверхтекучем состоянии, которые наши приборы просто игнорируют как шум.
Поэтому, когда вы в следующий раз прочтете, что «обнаружена молекула, необходимая для происхождения жизни», помните: за этим стоит долгий, кропотливый труд, вероятно, не одна лабораторная работа и, что самое главное, почти наверняка — еще неоконченный спор. Истина в этом вопросе не лежит на поверхности. Она дрейфует где-то между сигналом и шумом, ожидая, когда мы научимся слушать тишину с чуть большим терпением.
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий