Астрохимия — это изучение распространенности и реакций молекул во Вселенной , а также их взаимодействия с излучением . [1] Дисциплина является пересечением астрономии и химии . Слово «астрохимия» может применяться как к Солнечной системе , так и к межзвездной среде . Изучение распространенности элементов и изотопных соотношений в объектах Солнечной системы, таких как метеориты , также называется космохимией , в то время как изучение межзвездных атомов и молекул и их взаимодействия с излучением иногда называют молекулярной астрофизикой. Формирование, атомный и химический состав, эволюция и судьба облаков молекулярного газа представляют особый интерес, поскольку именно из этих облаков формируются солнечные системы.
Как ответвление дисциплин астрономии и химии, история астрохимии основана на общей истории двух областей. Развитие передовой наблюдательной и экспериментальной спектроскопии позволило обнаружить постоянно увеличивающийся массив молекул в солнечных системах и окружающей межзвездной среде. В свою очередь, увеличивающееся число химических веществ, открытых с помощью достижений в спектроскопии и других технологиях, увеличило размер и масштаб химического пространства, доступного для астрохимического изучения.
Наблюдения солнечных спектров, выполненные Атанасиусом Кирхером (1646), Яном Мареком Марци (1648), Робертом Бойлем (1664) и Франческо Марией Гримальди (1665), предшествовали работе Ньютона 1666 года, которая установила спектральную природу света и привела к созданию первого спектроскопа . [2] Спектроскопия была впервые использована как астрономический метод в 1802 году в экспериментах Уильяма Хайда Волластона , который построил спектрометр для наблюдения спектральных линий, присутствующих в солнечном излучении. [3] Эти спектральные линии были позже количественно определены в работе Йозефа фон Фраунгофера .
Спектроскопия впервые была использована для различения различных материалов после публикации отчета Чарльза Уитстона 1835 года о том, что искры, испускаемые различными металлами, имеют различные спектры излучения. [4] Это наблюдение было позже основано на Леоне Фуко , который в 1849 году продемонстрировал, что идентичные линии поглощения и излучения возникают из одного и того же материала при разных температурах. Эквивалентное утверждение было независимо постулировано Андерсом Йонасом Ангстремом в его работе 1853 года Optiska Undersökningar, где была высказана теория, что светящиеся газы испускают лучи света на тех же частотах, что и свет, который они могут поглощать.
Эти спектроскопические данные начали приобретать теоретическое значение с наблюдением Иоганна Бальмера, что спектральные линии, демонстрируемые образцами водорода, следовали простому эмпирическому соотношению, которое стало известно как серия Бальмера . Эта серия, частный случай более общей формулы Ридберга, разработанной Иоганнесом Ридбергом в 1888 году, была создана для описания спектральных линий, наблюдаемых для водорода . Работа Ридберга расширила эту формулу, позволив вычислять спектральные линии для множества различных химических элементов. [5] Теоретическое значение, придаваемое этим спектроскопическим результатам, значительно возросло с развитием квантовой механики , поскольку теория позволила сравнивать эти результаты со спектрами атомной и молекулярной эмиссии, которые были рассчитаны априори .
Хотя радиоастрономия развивалась в 1930-х годах, только в 1937 году появились какие-либо существенные доказательства для окончательной идентификации межзвездной молекулы [6] - до этого момента единственными известными химическими видами, существующими в межзвездном пространстве, были атомарные. Эти результаты были подтверждены в 1940 году, когда Маккеллар и др . идентифицировали и приписали спектроскопические линии в тогда еще не идентифицированном радионаблюдении молекулам CH и CN в межзвездном пространстве. [7] В последующие тридцать лет в межзвездном пространстве был обнаружен небольшой выбор других молекул: наиболее важными из них были OH, открытый в 1963 году и значимый как источник межзвездного кислорода, [8] и H 2 CO ( формальдегид ), открытый в 1969 году и значимый как первая наблюдаемая органическая многоатомная молекула в межзвездном пространстве [9]
Открытие межзвездного формальдегида — а позднее и других молекул с потенциальной биологической значимостью, таких как вода или оксид углерода — рассматривается некоторыми как весомое доказательство абиогенетических теорий жизни: в частности, теорий, которые утверждают, что основные молекулярные компоненты жизни произошли из внеземных источников. Это побудило к продолжающемуся поиску межзвездных молекул, которые либо имеют непосредственное биологическое значение — например, межзвездный глицин , обнаруженный в комете в нашей солнечной системе в 2009 году [10] , — либо проявляют биологически значимые свойства, такие как хиральность — пример которой ( пропиленоксид ) был обнаружен в 2016 году [11] — наряду с более фундаментальными астрохимическими исследованиями.
Одним из особенно важных экспериментальных инструментов в астрохимии является спектроскопия с использованием телескопов для измерения поглощения и испускания света молекулами и атомами в различных средах. Сравнивая астрономические наблюдения с лабораторными измерениями, астрохимики могут вывести содержание элементов, химический состав и температуру звезд и межзвездных облаков . Это возможно, потому что ионы , атомы и молекулы имеют характерные спектры: то есть поглощение и испускание определенных длин волн (цветов) света, часто не видимых человеческому глазу. Однако эти измерения имеют ограничения, поскольку различные типы излучения ( радио , инфракрасное , видимое, ультрафиолетовое и т. д.) способны обнаруживать только определенные типы видов, в зависимости от химических свойств молекул. Межзвездный формальдегид был первой органической молекулой, обнаруженной в межзвездной среде.
Возможно, наиболее мощным методом обнаружения отдельных химических видов является радиоастрономия , которая привела к обнаружению более сотни межзвездных видов, включая радикалы и ионы, а также органических (т. е. основанных на углероде ) соединений, таких как спирты , кислоты , альдегиды и кетоны . Одной из самых распространенных межзвездных молекул и одной из самых простых для обнаружения с помощью радиоволн (из-за ее сильного электрического дипольного момента) является CO ( угарный газ ). Фактически, CO является настолько распространенной межзвездной молекулой, что ее используют для картирования молекулярных областей. [12] Радионаблюдение, возможно, представляющее наибольший интерес для человечества, является заявлением о межзвездном глицине , [13] простейшей аминокислоте , но со значительными сопутствующими противоречиями. [14] Одной из причин, по которой это обнаружение было спорным, является то, что хотя радио (и некоторые другие методы, такие как вращательная спектроскопия ) хороши для идентификации простых видов с большими дипольными моментами , они менее чувствительны к более сложным молекулам, даже к таким относительно небольшим, как аминокислоты.
Более того, такие методы полностью слепы к молекулам, которые не имеют диполя . Например, безусловно, самая распространенная молекула во Вселенной - это H2 ( газообразный водород , или, говоря химически, лучше сказать дигидроген ), но у него нет дипольного момента, поэтому он невидим для радиотелескопов. Более того, такие методы не могут обнаружить виды, которые не находятся в газовой фазе. Поскольку плотные молекулярные облака очень холодные (от 10 до 50 К [от -263,1 до -223,2 °C; от -441,7 до -369,7 °F]), большинство молекул в них (кроме дигидрогена) заморожены, т. е. находятся в твердом состоянии. Вместо этого дигидроген и эти другие молекулы обнаруживаются с использованием других длин волн света. Дигидроген легко обнаруживается в ультрафиолетовом (УФ) и видимом диапазонах по его поглощению и испусканию света ( линия водорода ). Более того, большинство органических соединений поглощают и излучают свет в инфракрасном диапазоне (ИК), так, например, обнаружение метана в атмосфере Марса [15] было достигнуто с помощью наземного ИК-телескопа, 3-метрового инфракрасного телескопа НАСА на вершине Мауна-Кеа, Гавайи. Исследователи НАСА используют воздушный ИК-телескоп SOFIA и космический телескоп Spitzer для своих наблюдений, исследований и научных операций. [16] [17] В некоторой степени связано с недавним обнаружением метана в атмосфере Марса . Кристофер Озе из Кентерберийского университета в Новой Зеландии и его коллеги сообщили в июне 2012 года, что измерение соотношения уровней дигидрогена и метана на Марсе может помочь определить вероятность существования жизни на Марсе . [18] [19] По словам ученых, «...низкие соотношения H 2 /CH 4 (менее примерно 40) указывают на то, что жизнь, вероятно, присутствует и активна». [18] Другие ученые недавно сообщили о методах обнаружения дигидрогена и метана во внеземных атмосферах . [20] [21]
Инфракрасная астрономия также показала, что межзвездная среда содержит набор сложных газофазных углеродных соединений, называемых полиароматическими углеводородами , часто сокращенно ПАУ или ПАУ. Эти молекулы, состоящие в основном из сплавленных колец углерода (нейтральных или в ионизированном состоянии), считаются наиболее распространенным классом углеродных соединений в Галактике . Они также являются наиболее распространенным классом молекул углерода в метеоритах и в кометной и астероидной пыли ( космической пыли ). Эти соединения, а также аминокислоты, азотистые основания и многие другие соединения в метеоритах, несут дейтерий и изотопы углерода, азота и кислорода, которые очень редки на Земле, что свидетельствует об их внеземном происхождении. Считается, что ПАУ образуются в горячих околозвездных средах (вокруг умирающих, богатых углеродом красных гигантских звезд).
Инфракрасная астрономия также использовалась для оценки состава твердых материалов в межзвездной среде, включая силикаты , керогеноподобные твердые вещества, богатые углеродом, и льды . Это связано с тем, что в отличие от видимого света, который рассеивается или поглощается твердыми частицами, ИК-излучение может проходить через микроскопические межзвездные частицы, но в этом процессе происходит поглощение на определенных длинах волн, характерных для состава зерен. [22] Как и в случае с радиоастрономией, существуют определенные ограничения, например, N 2 трудно обнаружить ни с помощью ИК-, ни с помощью радиоастрономии.
Такие ИК-наблюдения определили, что в плотных облаках (где достаточно частиц для ослабления разрушительного УФ-излучения) тонкие слои льда покрывают микроскопические частицы, позволяя происходить некоторой низкотемпературной химии. Поскольку дигидроген является наиболее распространенной молекулой во Вселенной, начальная химия этих льдов определяется химией водорода. Если водород атомарный, то атомы H реагируют с доступными атомами O, C и N, производя «восстановленные» виды, такие как H 2 O, CH 4 и NH 3 . Однако, если водород молекулярный и, следовательно, нереактивный, это позволяет более тяжелым атомам реагировать или оставаться связанными вместе, производя CO, CO 2 , CN и т. д. Эти смешанно-молекулярные льды подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения и космических лучей , что приводит к сложной химии, обусловленной излучением. [22] Лабораторные эксперименты по фотохимии простых межзвездных льдов произвели аминокислоты. [23] Сходство между межзвездными и кометными льдами (а также сравнение газовых фазовых соединений) были использованы в качестве индикаторов связи между межзвездной и кометной химией. Это в некоторой степени подтверждается результатами анализа органики из образцов кометы, возвращенных миссией Stardust, но минералы также указали на удивительный вклад высокотемпературной химии в солнечной туманности.
Исследования в области формирования и взаимодействия межзвездных и околозвездных молекул продолжаются, например, путем включения нетривиальных квантово-механических явлений в пути синтеза межзвездных частиц. [25] Это исследование может оказать глубокое влияние на наше понимание набора молекул, которые присутствовали в молекулярном облаке, когда формировалась наша Солнечная система, что способствовало богатой углеродной химии комет и астероидов и, следовательно, метеоритов и межзвездных частиц пыли, которые падают на Землю тоннами каждый день.
Разреженность межзвездного и межпланетного пространства приводит к необычной химии, поскольку запрещенные симметрией реакции не могут происходить, за исключением самых длительных временных масштабов. По этой причине молекулы и молекулярные ионы, которые нестабильны на Земле, могут быть весьма распространены в космосе, например, ион H 3 + .
Астрохимия пересекается с астрофизикой и ядерной физикой в характеристике ядерных реакций, которые происходят в звездах, а также структуры звездных внутренностей. Если звезда развивает в значительной степени конвективную оболочку, могут происходить события выноса , выносящие продукты ядерного горения на поверхность. Если звезда испытывает значительную потерю массы, выброшенный материал может содержать молекулы, вращательные и колебательные спектральные переходы которых можно наблюдать с помощью радио- и инфракрасных телескопов. Интересным примером этого является набор углеродных звезд с силикатными и водно-ледяными внешними оболочками. Молекулярная спектроскопия позволяет нам видеть, как эти звезды переходят от первоначального состава, в котором кислорода было больше, чем углерода, к фазе углеродной звезды , в которой углерод, образующийся при горении гелия, выносится на поверхность глубокой конвекцией и резко изменяет молекулярное содержание звездного ветра. [26] [27]
В октябре 2011 года ученые сообщили, что космическая пыль содержит органическое вещество («аморфные органические твердые вещества со смешанной ароматическо - алифатической структурой»), которое может быть создано естественным образом и быстро звездами. [28] [29] [30]
29 августа 2012 года астрономы Копенгагенского университета впервые в мире сообщили об обнаружении специфической молекулы сахара, гликольальдегида , в далекой звездной системе. Молекула была обнаружена вокруг протозвездной двойной системы IRAS 16293-2422 , которая находится в 400 световых годах от Земли. [31] [32] Гликольальдегид необходим для образования рибонуклеиновой кислоты , или РНК , которая по своей функции похожа на ДНК . Это открытие предполагает, что сложные органические молекулы могут образовываться в звездных системах до образования планет, в конечном итоге попадая на молодые планеты на ранней стадии их формирования. [33]
В сентябре 2012 года ученые НАСА сообщили, что полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) , подвергаемые воздействию межзвездной среды (ISM) , трансформируются посредством гидрогенизации , оксигенации и гидроксилирования в более сложные органические соединения – «шаг на пути к аминокислотам и нуклеотидам , сырью белков и ДНК соответственно ». [34] [35] Кроме того, в результате этих преобразований ПАУ теряют свою спектроскопическую сигнатуру, что может быть одной из причин «отсутствия обнаружения ПАУ в межзвездных ледяных зернах , особенно во внешних областях холодных, плотных облаков или верхних молекулярных слоях протопланетных дисков ». [34] [35]
В феврале 2014 года NASA объявило о создании улучшенной спектральной базы данных [36] для отслеживания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) во Вселенной . По мнению ученых, более 20% углерода во Вселенной может быть связано с ПАУ, возможными исходными материалами для образования жизни . ПАУ , по-видимому, образовались вскоре после Большого взрыва , широко распространены по всей Вселенной и связаны с новыми звездами и экзопланетами . [37]
11 августа 2014 года астрономы опубликовали исследования, впервые с использованием Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (ALMA) , в которых подробно описывалось распределение HCN , HNC , H2CO и пыли внутри комет C/ 2012 F6 ( Леммон) и C/2012 S1 ( ISON) . [38] [39]
Для изучения ресурсов химических элементов и молекул во Вселенной разработана математическая модель распределения состава молекул в межзвездной среде по термодинамическим потенциалам профессором М.Ю. Доломатовым с использованием методов теории вероятностей, математической и физической статистики и равновесной термодинамики. [40] [41] [42] На основе этой модели оценены ресурсы молекул жизни, аминокислот и азотистых оснований в межзвездной среде. Показана возможность образования молекул нефтяных углеводородов. Приведенные расчеты подтверждают гипотезы Соколова и Хойла о возможности образования нефтяных углеводородов в Космосе. Результаты подтверждены данными астрофизических наблюдений и космических исследований.
В июле 2015 года ученые сообщили, что после первой посадки посадочного модуля Philae на поверхность кометы 67/P измерения , проведенные приборами COSAC и Ptolemy, выявили шестнадцать органических соединений, четыре из которых были впервые обнаружены на комете, включая ацетамид , ацетон , метилизоцианат и пропионовый альдегид . [43] [44] [45]
В декабре 2023 года астрономы сообщили о первом обнаружении в шлейфах Энцелада , спутника планеты Сатурн , цианистого водорода , возможного химического вещества, необходимого для жизни [46] , какой мы ее знаем, а также других органических молекул , некоторые из которых еще предстоит лучше идентифицировать и понять. По словам исследователей, «эти [недавно открытые] соединения потенциально могут поддерживать существующие микробные сообщества или управлять сложным органическим синтезом, ведущим к возникновению жизни ». [47] [48]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )