Знание-сила, 2006 № 09 (951)

В начале XX века считалось, что химические реакции в космосе не идут — ультрафиолетовое излучение звезд должно немедленно разрушать любые молекулы, и потому химические элементы вне Солнечной системы способны существовать лишь в виде атомов или ионов. Однако в конце 1930-х годов выяснилось, что в спектрах звезд имеются линии поглощения молекул СН и CN, очевидно, возникающие в межзвездном пространстве. Забавно, что уже тогда наблюдатели отметили странную особенность: часть этих молекул находилась в возбужденном состоянии, словно на них воздействовало поле излучения с температурой в несколько кельвинов. То есть именно молекулы впервые сообщили астрономам о существовании фонового микроволнового излучения, которое мы теперь называем реликтовым. Увы, тогда о теории горячей Вселенной никто еще не знал, и обратить внимание на реликтовое излучение было некому.

Молекулы, подобно атомам, обладают различными энергетическими состояниями и при переходе из одного состояния в другое излучают или поглощают фотон. Поскольку различие между энергиями этих состояний чаще всего невелико, молекулярные линии излучения и поглощения приходятся в основном на радиодиапазон. Поэтому настоящую революцию в изучении молекулярной Вселенной произвели радиотелескопы (кстати, первым на возможность наблюдения радиолиний межзвездных молекул указал наш выдающийся астрофизик И.С. Шкловский). Открытия следовали одно за другим — в 1963 году был открыт космический гидроксил (ОН), в 1968-м стало известно о существовании в межзвездной среде многоатомных молекул — аммиака и воды... К этому времени перед астрономами ребром встал вопрос о происхождении этих молекул.

Откройте школьный учебник химии и загляните в главу, посвященную синтезу аммиака. Чтобы произвести эту молекулу в земных условиях, необходимы сложные установки, высокие температуры и давления. Каким образом Природе удается получить то же самое соединение при температуре 10 кельвинов и плотности, которую не способен создать даже лучший вакуумный насос?

Ответ на этот вопрос отчасти заключается в нем самом. Из-за низких температур и плотностей химические реакции в космическом пространстве идут очень медленно. Природа может не спеша раскручивать последовательность реакций, в результате которых атом азота сначала присоединяет к себе один атом водорода, потом другой, затем третий... Конечно, такой последовательный рост молекулы занимает гораздо больше времени, чем ее синтез на химическом комбинате, но, согласитесь — Природе, в отличие от нас, спешить совершенно некуда. В подобных же цепочках образуются и другие простые молекулы.

Хранить в прохладном, защищенном от света месте

Ну а что насчет другого возражения? Почему межзвездные молекулы не разрушаются ультрафиолетовым излучением звезд? Да потому, что в космосе немало мест, куда это излучение попросту не доходит. Недра плотных межзвездных облаков прекрасно защищены от ультрафиолетовых квантов толстым слоем космических пылинок — недаром эти облака называют темными. Именно там и работает межзвездная химическая кухня. Рецепт ее действия прост: возьмите атомы десятка самых распространенных элементов (водорода, гелия, углерода, кислорода, азота, натрия, магния, железа, серы, остального — по вкусу), перемешайте, добавьте космических лучей, и через несколько десятков тысяч лет в вашем распоряжении образуется смесь из сотен молекул, среди которых будут не только аммиак и вода, но и более сложные молекулы, например, метанол, формальдегид. Далеко не для всех этих молекул имеются привычные "земные" названия. Необычность астрохимии приводит к образованию таких диковинных молекул, как, например, HC₁₁N — цепочки из одиннадцати атомов углерода, к концам которой прикрепились атомы водорода и азота.

К сожалению, большую часть этих молекул наблюдать не удается — одни излучают слишком слабо, у других излучение попадает в диапазон, недоступный для наблюдений с Земли. Взять хотя бы ту же воду — разве может ее излучение пробиться через плотную завесу водяного пара в земной атмосфере? Сейчас с помощью наблюдений в космосе обнаружено более 130 молекул, самая большая из которых — уже упомянутая HC₁₁N. Но для работы химического реактора их недостаточно, поэтому присутствие в темных облаках недостающих реагентов приходится предполагать теоретически. Конечно, особенно приятно бывает, когда одну из таких "теоретических" молекул удается потом обнаружить наблюдательно. Так было с ионом Н₃+ — еще в начале 1970-х годов теоретики отвели ему ключевую роль в астрохимии, но в наблюдениях он был обнаружен только в 1996 году, подтвердив, что химические модели, разрабатываемые с тех времен, имеют под собой реальные основания.

Галактические призраки