Нафталин и Большой взрыв

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Прежде, чем мы отправимся в далекий космос, к Большому взрыву, расскажу историю, которая приключилась со мной 15 лет назад. Осенью 2008-го я была в командировке в Вашингтоне. Она частично совпала с Рождеством, и меня пригласили в гости на рождественскую индейку.

Так я оказалась в компании вместе с Джоном Мазером, нобелевским лауреатом по физике (2006 г.). Премию он получил за реликтовое излучение.

Мы быстро нашли общий язык, отчасти потому, что жена Джона Мазера — в прошлом балерина с российскими корнями. Так что было о чем поговорить. Разумеется, заговорили о работе. Выяснилось, что Джон работает надо созданием космического телескопа Джеймс Уэбб.

В этом международном проекте НАСА, в котором участвует 17 стран, Джон был на ведущих ролях. Я, помню, спросила — а зачем нам еще один телескоп в космосе? Разве Хаббла недостаточно? Ведь это же стоит тучу денег?

«Нет, — говорит, недостаточно. — Телескоп Джеймс Уэбб видит гораздо дальше и позволит разглядеть нам события, которые случились в самой ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва. Очень необычный и красивый телескоп. Его зеркало похоже на подсолнух, тебе понравится. Скоро запустим».

Это скоро растянулось на 13 лет. Телескоп Джеймс Уэбб запустили в конце декабря 2021 года. Уже в январе 2022-го он развернул свое 6,5-метровое зеркало на расстоянии 1,5 млн километров от Земли. Это зеркало состоит из 18 правильных шестиугольных пластинок из отполированного бериллия, покрытого золотом для лучшего отражения.

«Химия и жизнь» подробно рассказывала об этом телескопе и его запуске. Действительно, раскрывшееся золотое зеркало оказалось похожим на подсолнух. И мне, действительно, телескоп понравился.

Прошел год, и в научной печати стали появляться результаты, полученные с помощью этого телескопа. О последней такой работе я сейчас расскажу.

Органика в космосе — давно уже не новость. Уксусная кислота, формальдегид, этиловый спирт, мочевина, окись этилена, диметиловый эфир, триптофан, бензол, фуллерены и многие десятки других веществ, содержащих углерод, уже обнаружили в этой черной бездне со звездами.

Вот, например, не так давно нашли в космосе и вовсе неожиданные соединения — полиароматические углеводороды. Это крупные органические молекулы, содержащие два и больше ароматических кольца.

Вы ведь помните из школьного курса, что такое бензол? Ароматический углеводород С₆Н₆, структуру которого в форме шестиугольника открыл Кекуле, — она явилась ему во сне. Кстати, бензол в космосе нашли в 1997 году.

Так вот, в молекулах полиароматических углеводородов таких колец, слипшихся по одной из сторон шестиугольников, больше двух. Типичные представители этого класса соединений — нафталин, антрацен, фенантрен, бензпирен, кекулен.

Все это — вполне земные вещества. Нафталином еще недавно изгоняли моль из шкафов. Правда, с 2008 года его запретили как средство от моли в Европе и в Китае. А у нас в стране запрет наложили на 20 лет раньше. Но если открыть бабушкин сундук, то оттуда наверняка пахнёт стойким нафталиновым запахом.

Кстати, нафталин — очень важное вещество. Его химическую формулу установил не кто-нибудь, а сам знаменитый Майкл Фарадей двести лет назад. А структуру из двух конденсированных бензольных колец предложил Эмиль Эрленмейер в 1866 году. Сегодня его добывают из каменноугольной смолы и используют в большой химии для получения красителей, взрывчатых веществ, инсектицидов и препаратов для медицины.

На Земле полиароматические углеводороды образуются в результате естественных природных процессов — во время лесных пожаров. Это, в сущности, продукт неполного сгорания целлюлозы. Поэтому их находят в пластах каменного, бурого угля и антрацита.

Однако есть не только природные, но и техногенные полиароматические углеводороды. Все они образуются в результате термических процессов, которые происходят при сжигании органического сырья — хоть дров, хоть угля, хоть нефти или бензина, мусора, пищи или табака.

Как видите, самые что ни на есть земные вещества. И вот почти сенсация — эти громоздкие органические молекулы обнаружили в галактике SPT0418-47 на расстоянии более двенадцати миллиардов световых лет! Эта галактика образовалась через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва.

То есть это очень ранняя галактика, которую мы увидели с помощью телескопа Джеймса Уэбба. А полиароматику мы рассмотрели благодаря новейшему спектрометру MIRI, установленному на телескопе.

Полициклические ароматические углеводороды обычно оставляют хорошо видимую спектральную линию в диапазоне длин волн 3,3 микрометра. Ее-то и увидели астрофизики в спектрах дальней галактики.  Сигнал, скорее всего, исходил от органических молекул, содержащих не более 100 атомов углерода.

Таким образом, команда впервые обнаружила сложные органические молекулы в межзвездной пыли ранней галактики. Они уже существовали 12 миллиардов лет назад, когда Вселенная пребывала в младенческом возрасте.

А зачем они нужны в космосе? Ученые полагают, что крупные молекулы полиароматических углеводородов могли становиться центром притяжения, зародышами для образования частиц пыли, при конденсации которых образовывались новые звезды. Поэтому их считают родильницами новых звезд.

Есть в этом какая-то улыбка природы, что в древней Вселенной мы откопали родственников нафталина, который на Земле — признак безнадежной древности. И если на Земле эти вещества, содержащиеся в дыму и смоге, играют, скорее, разрушительную для жизни роль, то в дальнем космосе они работают на созидание — на рождение новых звезд.

Однако меня гораздо больше изумляет другое — удивительное сходство структуры зеркала телескопа с ароматическими веществами. Чтобы в этом убедиться, соберите со своим ребенком модель зеркала телескопа.

Вырежьте из желтой бумаги 18 одинаковых правильных шестиугольников. Из 6 фигур сложите круг, прикладывая один шестиугольник к другому по одной из сторон. Получится такой фигурный круг с шестиугольной дыркой посередине. Теперь сложите вокруг этого круга — второй такой же, впритык. На его строительство уйдет 12 фигур. Это и есть зеркало телескопа.

По структуре оно напоминает фрагмент пчелиных сот. И это же — структура гипотетического полиароматического углеводорода. А по частям — и вовсе структура известных веществ. Внутреннее кольцо — это коронен, а внешнее кольцо, в которое вложено внутреннее, — это молекула кекулена.

Так что структура зеркала телескопа как будто несла подсказку астрофизикам — что искать в глубоком космосе. Удивительно!

Впрочем, не менее удивительно, что мы можем даже на расстоянии 12 миллиардов световых лет идентифицировать эти сложные молекулы, которые находим на Земле в дыму и смоге. Но это именно то, для чего и был построен, и работает телескоп Джеймса Уэбба. Он позволяет нам заглянуть в космос на невероятную глубину.

Кажется, огромные расходы, связанные с созданием, запуском и эксплуатацией телескопа, были не зря — мы начинаем чувствовать отдачу. Спасибо Джону Мазеру и его коллегам — отличный инструмент!