Российские учёные: сложная органика может быть распространена в космосе почти повсеместно

Многие химические процессы до сих пор не изучены учёными. Исследователи ещё долгие годы будут выяснять, какие химические реакции и при каких условиях могут происходить не только на Земле, но и в глубоком космосе, где условия весьма далеки от земных.

Особенно запутанные клубки реакций приходится распутывать при помощи теоретических построений и привлечения сложных квантово-химических моделей, которые создаются и проверяются при помощи мощных компьютеров.

Учёные из Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) вместе с коллегами из США изучили одну из таких реакций во всех подробностях и в ходе эксперимента доказали верность своих выкладок. Речь об образовании полициклических ароматические углеводородов (ПАУ).

Они интересны с той точки зрения, что являются сложными органическими соединениями и считается, что около пятой части всего "космического" углерода находится именно в составе ПАУ.

Учёные находили "подписи" ПАУ в спектрах инфракрасного излучения, исходящих от относительно холодных объектов — молекулярно-пылевых облаков и туманностей, где идут процессы звездообразования (а значит, и планетообразования, а также… возможные процессы зарождения жизни).

ПАУ были обнаружены на комете Чурюмова-Герасименко с помощью зонда Rosetta. Эти же соединения обнаруживают в составе метеоритов, богатых углеродом, — хондритов.

Чтобы выяснить возможные пути синтеза ПАУ из более простых составляющих и другой сложной органики в условиях космоса, в ФИАНе на средства мегагранта Минобрнауки РФ был создан Центр лабораторной астрофизики. Руководить им предложили профессору Гавайского университета в Маноа Ральфу Кайзеру.

Что собой представляют ПАУ? Это класс соединений, в структуре которых есть спаянные между собой бензольные кольца. Самый простой ПАУ, состоящий всего из одного кольца — это бензол. Кольцо образовано шестью атомами углерода, и это очень красивая симметричная структура.

Бензольное кольцо. Красота симметрии.
Иллюстрация Wikimedia Commons.

В ходе последней работы исследователи ФИАН и их коллеги из США пришли к выводу, что полициклические ароматические углеводороды могут образовываться в ходе радикально-радикальных реакций при экстремально низких температурах.

Для этого учёные сначала провели сложные расчёты на компьютерах, а затем провели эксперименты по сталкиванию между собой бензильных радикалов в лабораторных условиях в условиях, максимально приближенных к условиям глубокого космоса.

В продуктах реакций учёные нашли ПАУ (а именно антрацен, C14H10), которые образовались в результате радикально-радикальной реакции. Как выяснили исследователи, в ней участвовали два больших циклических бензильных радикала. Это путь образования молекулы антрацена ранее был неизвестен науке.

"[Это открытие] представляет собой фундаментальный сдвиг в современной парадигме синтеза многокольцевых структур в газовой фазе, расширяя наше понимание происхождения и эволюции углеродистого вещества во Вселенной", — рассказывает соавтор исследования доктор физико-математических наук Валерий Азязов, заместитель руководителя Центра лабораторной астрофизики ФИАН.

В земных условиях ПАУ образуются при высокой температуре, например, при горении топлива в камерах сгорания двигателей или во время пожаров.

Однако в космосе очень-очень холодно, зато провоцировать образование ПАУ могут высокоэнергетические галактические космические лучи.

Они разбивают молекулы на сотни и тысячи радикалов, которые затем формируют новые химические связи и соединения, в том числе сложные органические молекулы.

Нынешнее открытие интересно ещё и тем, что представляет собой ещё один аргумент в пользу гипотезы, что органические молекулы, необходимые для зарождения жизни, широко распространены во Вселенной. Это открытие в том числе означает, что живые организмы могут возникнуть во многих уголках космоса.

"Сто лет назад и даже меньше мы считали космос безжизненным, думали, что в космическом пространстве есть только атомы и простые молекулы: вода, углекислый газ, кремниевая или углеродная пыль, ‒ говорит Авязов. ‒ Всё это находится в экстремальных условиях: жуткий холод и губительное космическое излучение или, наоборот, высокие температуры и давления в недрах звёзд и их окружениях".

Долгое время считалось, что в таких условиях, радикально отличающихся от земных, появление сложных органических молекул было невозможно. Что уж говорить о зарождении жизни: для неё уж точно понадобилась бы "тихая гавань", в узкой зоне обитаемости звезды, в которую в своё время по счастливому стечению обстоятельств попала Земля.

Теперь же учёные находят всё больше доказательств тому, что это представление не верно.

Благодаря современным мощным телескопам, мы знаем, что во Вселенной есть множество сложных органических соединений — первых кирпичиков органической жизни, которые способны дать старт развитию жизни во многих уголках безграничного космоса.

Статья авторов исследования вышла в уважаемом научном издании Nature Communications.