Живучая органика

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Космос — это отнюдь не холодная пустота. В нем обитают не только звезды, планеты и галактики, но и гигантские холодные молекулярные облака. Они буквально забиты самыми разными химическими соединениями — строительным материалом для будущих звездных систем. Здесь полно не только неорганики, но и органических соединений — строительного материала для жизни. Мы рассказывали об этом не раз.

Но открытия продолжаются и продолжаются, астрономы с помощью радиотелескопов обнаруживают все более сложные соединения. В частности, в молекулярном облаке в созвездии Тельца, которое расположено в 430 световых годах от нас, астрономы нашли много органики, включая ароматические соединения. И не просто бензол, а более сложные молекулы, а именно — полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

И возникает вопрос — каким образом чувствительным органическим молекулам удается сохранять свою структуру в космосе с его жестким излучением?

Теоретически большинство молекул такого типа должны распадаться относительно быстро. На это есть как минимум две причины. Во-первых — столкновение с другими частицами. Во-вторых — жесткое ультрафиолетовое излучение молодых звезд, которое несет много энергии. Она расшатывает органические молекулы, связи рвутся, молекулы распадаются.

Астрохимики считают, что в межзвездном пространстве могут выживать только крупные ПАУ — с 50 и более атомами углерода. А небольшие молекулы тех же ПАУ должны распадаться, но они этого не делают! Количество небольших органических молекул в космосе, наблюдаемое астрономами, в миллионы раз больше, чем предсказывают астрохимические модели.

Так как же органическим молекулам, тем же небольшим полициклическим углеводородам, удается сохраниться? Их что-то явно стабилизирует в космосе. Что же это?

Этим вопросом задался Джеймс Булл, руководитель исследовательской группы по сверхбыстрой химической физике в Университете Восточной Англии. А в науке, как известно, ответ ищут в эксперименте. Физики воспользовались установкой DESIREE — двойным электростатическим кольцом для хранения ионных пучков. Она находится в Стокгольмской университете в Швеции. Установка позволяет создавать сверхвысокий вакуум и глубоко охлаждать кольцо, то есть имитировать космические условия.

Глубокий вакуум здесь особенно важен, чтобы не было никаких посторонних частиц (и прежде всего водорода, заполняющего космос), способных разрушить наши органические молекулы в эксперименте. На DESIREE в среднем остается всего несколько молекул водорода в кубическом миллиметре пространства. В результате условия на DESIREE такие же, что и в холодных регионах космоса, где образуются исследуемые органические молекулы — температура 13 К и плотность газа 10⁴ частиц/см³.

Ученые работали с легким углеводородом инденом, точнее с его анионом инденилом.

Сначала молекулы индена ионизировали (депротонировали), сталкивая с плазмой, а затем запускали в вакуумную камеру. Из нее ионы перемещались в электростатическое кольцо, где двигались по кругу, пробегая за один оборот 8,6 метра. Так они циркулировали в накопительном кольце сотни тысяч раз в секунду в течение часа. А в это время множество детекторов наблюдали за поведением и самочувствием ионов.

И что же произошло? А ничего не произошло — только малая часть ионов инденила разрушилась, и это был потрясающий результат. Остальные ионы защитила от распада так называемая рекуррентная флуоресценция.

Физики так описывают этот процесс. Интенсивный ультрафиолет в космосе заставляет молекулы легких углеводородов вибрировать. При обычной флуоресценции молекула поглощает свет, а затем переизлучает его, но уже на другой длине волны. Но при рекуррентной флуоресценции молекулы свет не улавливают. Ее колебательная энергия преобразуется в энергию возбуждения электронов, которые впоследствии излучают свет. Это успокаивает молекулу и защищает от разрушения.

Джеймс Булл считает, что именно этот тип флуоресценции объясняет, почему, скажем, в молекулярном облаке Тельца к северу от Плеяд так много легких углеводородов. Похоже, инденил — только начало большой серии экспериментов с самыми разными органическими молекулами. Посмотрим.