Космический алхимик: как радиация превращает сажу в молекулы жизни
В бескрайних просторах космоса, в холодной пустоте между звездами, скрывается неожиданное сокровище — углерод. Там, в том, что ученые называют «межзвездной средой», можно найти целый зоопарк органических молекул — от похожих на пчелиные соты полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) до сфер углерода, напоминающих футбольные мячи.
В новом исследовании международная команда ученых под руководством Университета Колорадо в Боулдере воссоздала в лабораторных условиях химические процессы, происходящие в глубинах космоса. Результаты их работы, возможно, раскрыли ключевые этапы формирования этих органических молекул с течением времени.
Как заявил ведущий автор исследования Джорди Боувман, эти открытия могут пролить свет на строительные блоки, которые когда-то сформировали нашу Солнечную систему. Миллиарды лет назад подобные облака материи сконденсировались, чтобы дать начало нашему Солнцу и планетам.
«Мы все сделаны из углерода, поэтому крайне важно понимать, как углерод во Вселенной трансформируется на пути к тому, чтобы стать частью планетарной системы, подобной нашей», — отметил Боувман, доцент кафедры химии и научный сотрудник Лаборатории атмосферной и космической физики.
Исследование, недавно опубликованное в Journal of the American Chemical Society, проливает свет на формирование класса молекул под названием фуллерены.
Фуллерены состоят из атомов углерода, организованных в форму замкнутой сферы. Самый известный пример — бакминстерфуллерен, или «бакибол», названный в честь знаменитого футуролога Ричарда Бакминстера Фуллера. Эта молекула состоит из 60 атомов углерода и имеет поразительное сходство с футбольным мячом.
Фуллерены, включая бакиболы, свободно плавают в межзвездной среде. Но ученые долгое время не могли объяснить их происхождение и механизм формирования.
Новое исследование предполагает, что космическая радиация может способствовать превращению ПАУ во фуллерены.
«Это дает нам подсказку, что бакиболы, которые мы находим в космосе, могут быть связаны с этими крупными ароматическими молекулами, которых там также много», — пояснил Боувман.
Космическая химия на Земле
Команда смоделировала космическую химию, изучая две небольшие молекулы ПАУ — антрацен и фенантрен.
ПАУ состоят из атомов углерода, расположенных в виде шестиугольников, напоминающих пчелиные соты. Они широко распространены на Земле — их можно найти в дыме, саже и других продуктах горения.
«Если вы передержите стейк на гриле, и он почернеет, в нем будут ПАУ, — привел пример Боувман. — Это неприятный побочный продукт горения».
Сначала исследователи обстреляли две молекулы ПАУ пучком электронов — примерно так же, как радиация в космосе взаимодействует с молекулами в межзвездной среде.
Эта бомбардировка превратила ПАУ в новые, заряженные органические молекулы. Затем исследователи поместили полученные продукты в ионную ловушку в научном комплексе FELIX (Свободно-электронные лазеры для инфракрасных экспериментов) в Неймегене (Нидерланды). С помощью мощных лазеров ученые смогли точно определить структуру новых молекул.
Результат их удивил.
Рождение бакиболов
Боувман объяснил, что когда команда воздействовала на антрацен и фенантрен электронами, молекулы теряли один или два атома водорода.
При этом они радикально меняли свою структуру — словно кто-то разбирал замок из Лего и собирал из тех же деталей новую конструкцию. Вместо привычных шестиугольников в получившихся продуктах появились атомы углерода, организованные как в шестиугольники, так и в пентагоны (пятиугольники).
Подобная реакция никогда ранее не наблюдалась, отметил Боувман. Пока не ясно, насколько распространены такие «пентагоносодержащие» молекулы в космосе.
«Это был очень неожиданный результат — стоило лишь оторвать атом водорода или два, как вся молекула полностью перестраивалась», — сказала Сандра Брюнкен, соавтор исследования.
Результаты оказались тем более интригующими, что такие молекулы очень легко сворачиваются в сферу (достаточно представить себе футбольный мяч, состоящий из шести- и пятиугольников).
Другими словами, эти молекулы с пентагонами могут быть тем самым недостающим звеном в цепочке превращения обычных ПАУ в бакиболы и другие фуллерены.
От лаборатории к звездам
Боувман и Брюнкен надеются, что астрофизики обратят внимание на их работу. Ученые могли бы использовать эти результаты, чтобы с помощью таких инструментов, как космический телескоп «Джеймс Уэбб», найти подобные пентагоносодержащие молекулы в глубинах космоса.
«Вы можете взять наши лабораторные результаты и использовать их как отпечаток пальца, чтобы искать те же сигнатуры в космосе», — сказала Брюнкен.
Но что, если эта «космическая алхимия» имеет гораздо более глубокое значение? Возможно, мы наблюдаем не просто любопытное химическое превращение, а фундаментальный процесс, обеспечивающий саму возможность жизни во Вселенной. Углерод — основа всего живого на Земле. И если ключевые пребиотические молекулы, такие как фуллерены, могут самопроизвольно рождаться в ледяной пустоте под действием радиации, это значительно повышает шансы на то, что жизнь — не уникальная случайность, а закономерный результат химической эволюции космоса.
Бакиболы, эти крошечные углеродные сферы, могут выступать в роли защитных капсул, перенося сложные органические соединения через межзвездное пространство и «засевая» ими молодые планетные системы. Таким образом, каждый из нас несет в себе не только звездную пыль, но и частицы этой древней космической химии, которая началась задолго до рождения нашего Солнца.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
