Астрономы выяснили, откуда берутся фуллерены в далеких галактиках

Опыты в лабораторных аналогах открытого космоса помогли ученым выяснить, почему в далеких галактиках есть достаточно большие запасы фуллеренов, простейших наноструктур из 60 атомов углерода. Они возникают внутри зерен пыли, которые выбрасывают престарелые звезды, пишут астрономы в статье научного журнале Astrophysical Journal Letters.

"С одной стороны, можно предположить, что окрестности умирающих звезд и другие подобные уголки Вселенной могут только разрушать сложно устроенную материю. На самом деле внутри них есть все условия для формирования фуллеренов и других сложных наноструктур. Это открытие радикально меняет наши представления о составе межзвездной среды", - прокомментировал работу один из ее авторов, астрофизик из Аризонского университета (США) Джейкоб Бернал.

Фуллерены представляют собой шарообразные молекулы, собранные из 60 или иного числа атомов углерода. Их существование  теоретически предсказал химик Эйдзи Осава еще полвека назад, однако первые синтетические "наномячи" из углерода собрали десятилетием позже, в середине 1980-х годов.

На рубеже веков астрономы неожиданно нашли фуллерены в окрестностях ядра Млечного Пути, в других галактиках, а также в толще некоторых метеоритов и астероидов. Многие исследователи очень скептически отнеслись к этим заявлениям, так как намеки на наличие фуллеренов, которые были в спектре излучения далеких галактик и прочих объектов космоса, очень сложно отличить от следов других соединений углерода.

Кроме того, как отмечает Бернал, сомнения многих других астрономов были связаны с тем, что они не представляли себе то, как подобные молекулы могли возникнуть в облаках межзвездного газа, которые почти полностью состоят из водорода, а также в любых других уголках мироздания.

"Вселенная почти полностью состоит из водорода, но появление даже минимальных количеств этого газа в окружающей среде не дает синтезировать фуллерены в лаборатории. Представьте себе, что у вас есть коробка, в которой на каждые 10 тыс. атомов водорода приходится лишь один атом углерода. Даже если ее очень долго трясти, вряд ли у вас получится склеить сразу 60 из них", - объясняет астрофизик.

Бернал и его коллеги выяснили, как Вселенная обходит эту проблему, экспериментируя с частицами пыли, которые в больших количествах присутствуют в звездном ветре. Его вырабатывают звезды, которые почти полностью исчерпали свои запасы водорода. Эти частицы ученые нередко находят внутри астероидов и метеоритов.

Как заметили эксперты, этот звездный песок почти полностью состоит из двух типов атомов - кремния и углерода, большие количества которых престарелые светила вырабатывают на последних стадиях своей жизни. Подобная особенность гранул космической пыли натолкнула ученых на мысль, что их столкновения внутри потоков звездного ветра и выбросов умирающих светил, а также иные формы взаимодействий, могут порождать фуллерены.

Руководствуясь этой идеей, исследователи попытались повторить такой процесс в лаборатории, поместив несколько искусственных зерен пыли в полный вакуум и обстреливая их вспышками лазерного излучения и пучками "космических лучей". Их роль играли ионы ксенона, которые ученые разогнали до околосветовых скоростей.

Как оказалось, подобная бомбардировка особым образом поменяла структуру звездного песка, породив внутри него листы из графита, а также превратив часть из них в шарообразные заготовки фуллеренов, если поверхность зерен пыли была относительно неровной.

Аналогичным образом, по мнению авторов статьи, могут формироваться и другие типы наноструктур из атомов углерода, в том числе нанотрубки, следы которых в космосе ученые пока еще не нашли. Если это действительно так, то умирающие звезды могут быть одними из главных фабрик сложных веществ и природных наноструктур во всей Вселенной, заключают ученые.