Знание-сила, 2006 № 09 (951)

Отсутствие легко наблюдаемых линий — не единственная проблема космического молекулярного водорода. Другая его загадка, которая теперь вроде бы решена, состоит в механизме формирования этой молекулы. Молекулярные облака образуются в результате сжатия межзвездного газа, водород в котором находится исключительно в виде атомов или ионов. Объединить два атома водорода в молекулу не так-то просто: она образуется с выделением примерно 4,5 электровольта энергии, которую нужно куда-то девать. Решить эту проблему могли бы трехчастичные столкновения — два атома объединяются в молекулу, а третий уносит избыточную энергию. Но в условиях низкой космической плотности трехчастичные столкновения происходят исключительно редко и начинают играть важную роль лишь в самых плотных областях протопланетных дисков.

В 1972 году известный американский астрофизик Юджин Солпитер предположил, что роль третьего тела в образовании молекулы водорода играет пыль. Попав на поверхность пылинки, атом водорода беспорядочно перемещается по ней до тех пор, пока не столкнется с другим таким же атомом и не сольется в молекулу Н₂. Выделяющаяся при этом энергия уходит на нагрев пылинки и на отрыв молекулы водорода от ее поверхности. Но к пылинкам прилипают атомы не только водорода, но и других элементов. Странствуя по поверхности пылевых частиц, они тоже объединяются в молекулы — аммиака, воды, оксида углерода, — которые постепенно окружают пылинку "ледяной" коркой. В нее входят не только молекулы, образующиеся на пыли, но и примерзающие к ней молекулы из газа.

Масштабы процесса образования ледяных мантий ученые начали осознавать лишь недавно. Конечно, в целом молекулярные облака достаточно разрежены, и "корочки" на пылинках нарастают очень медленно. Но в плотных газопылевых ядрах, многим из которых предстоит в будущем стать звездами, ледяные мантии оказываются настоящей ловушкой для большинства наблюдаемых соединений. Это приводит к неприятным последствиям — в самых интересных областях межзвездной среды привычные и хорошо изученные молекулы, оказывается, переходят в твердое состояние, и астрономам приходится искать новые молекулы, которые можно было бы наблюдать в качестве индикаторов физического состояния будущей звезды. Наиболее многообещающими, с этой точки зрения, в наши дни кажутся молекулы-изотопомеры с участием дейтерия — тяжелого водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона.

Дейтерий — это не только тяжелая вода

Из школьного курса химии мы должны были бы помнить, что одни и те же атомы могут соединяться в молекулу несколькими различными способами. Молекулы, имеющие одинаковый атомарный состав, но разное строение, называются изомерами; они хорошо известны химикам и неплохо изучены. Но есть и еще один вид химического разнообразия, который на Земле практически незаметен (если не считать редких термоядерных взрывов): в одной и той же молекуле атом основного изотопа какого-либо элемента может быть замещен более редким изотопом. Понятно, что различие между кислородом-16 и кислородом-18 не так уж велико, поэтому молекулы С₁₆О и С₁₈О с химической точки зрения будут вести себя практически одинаково. Другое дело — молекулы, в которых атом водорода замещен атомом дейтерия. В них химические различия куда более существенны и интересны.

Подобно тому, как в обычной астрохимии ключевую роль играет ион Н₃⁺, в астрохимии дейтерия первой скрипкой оказывается изотопомер этого иона H₂D⁺, в котором один из атомов водорода заменен атомом дейтерия. Пока в газе много молекул СО, этому иону не удается как следует развернуться. Взаимодействие H₂D⁺ с оксидом углерода начинает короткую цепочку реакций, в результате которой этот ион разрушается. Расцвет дейтериевой химии начинается на поздних этапах эволюции плотного облака, когда подавляющая часть молекул СО примерзает к пылинкам. И результаты этого расцвета весьма примечательны: дейтерий оказался очень активным химическим игроком, который с готовностью вытесняет со сцены своего более легкого собрата. В настоящее время известно уже около трех десятков космических молекул, в которых один или несколько атомов водорода замещены дейтерием.