Астрономы узнали, как в космосе рождаются сферические молекулы

В межзвездной среде обнаружено более 270 разных видов молекул, в том числе типов соединений, молекулы которых состоят из десятков атомов. Одним из примеров таких многоатомных соединений являются молекулы, состоящие из 5- и 6-угольных углеродных колец, — фуллерены (C60, C70 и другие) и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). ПАУ – плоские молекулы, а фуллерены — сферические. Яркий представитель семейства фуллеренов – молекула C60, форма которой в точности повторяет классический футбольный мяч.

Пути образования и разрушения молекул фуллерена в космосе – одна из наиболее активно развивающихся тем в астрофизике. В лабораториях такие молекулы синтезируют с высокой эффективностью в условиях высоких давлений (относительно давлений, свойственных космической среде) и температур, например, в процессе электродугового испарения или лазерной абляции графитовых электродов.

В этих экспериментах молекулы «растут» из отдельных атомов и малых молекул типа C2H2. Альтернативным методом получения фуллеренов является бомбардировка молекул ПАУ электронами или облучение лазерными лучами, в результате чего происходит изомеризация, или, по-другому, свертывание ПАУ в фуллерены.

Сотрудники Института астрономии РАН (ИНАСАН) под руководством кандидата физико-математических наук М. Мурги показали, что фуллерены могут эффективно формироваться вблизи массивных звезд, являющихся мощными источниками ультрафиолетового излучения, за счет протекания процесса изомеризации ПАУ.

Также установлено, что обнаружение фуллеренов в среде без мощных источников ультрафиолетового излучения, например, в темных молекулярных облаках, требует либо других механизмов, либо эффективного перемешивания межзвездной среды. Полученные результаты впервые позволили получить количественные оценки эффективности механизмов формирования космических фуллеренов.

Для исследования астрохимии углеводородов в ИНАСАН в течении нескольких лет разрабатывалась уникальная комплексная модель эволюции молекул ПАУ и фуллеренов в межзвездной среде. Модель включает в себя процессы ионизации, релаксации, фотодиссоциации, реакции присоединения атомов водорода, и изомеризации (перехода) ПАУ в молекулы фуллерена в результате диссоциации.

С помощью этой модели можно не только предсказать количество фуллеренов, которое может быть образовано в среде с определенными условиями, но композиционный состав ПАУ, то есть какие параметры ПАУ (размер, соотношение между атомами углерода и водорода, заряженность) характерны для такой среды.

Дополнительно оценивается содержание ПАУ с повышенным содержанием атомов водорода и фуллеренов с присоединенными к внешней стороне атомами водорода. Существование таких экзотических, на первый взгляд, состояний молекул вполне вероятно, и возможно объясняет множество неидентифицированных на сегодняшний день полос поглощения межзвездной среды. Поэтому предсказание наиболее благоприятных условий формирования таких молекул может указать на области поиска при составлении плана наблюдений на телескопах.

Разработанная на сегодняшний день модель представляет собой основу для моделирования других крупных углеродных молекул, таких как, например, нанотрубки, аморфный углерод, гетерогенные ПАУ и фуллерены, то есть имеющие замещенные атомы углерода иными атомами (азот, железо, кислород и другие). Сравнение результатов, предсказанных моделью, и наблюдений межзвездной среды поможет установить, какие углеродные молекулы присутствуют в космосе.

Знание того, в каком виде углеродные молекулы, или наночастицы, находятся в межзвездной среде, во-первых, раскроет подробности об условиях и механизмах их формирования в звездах и об эволюции самих родительских звезд. Во-вторых, даст толчок к развитии астрофизических моделей самой межзвездной среды за счет уточнения темпов охлаждения и нагрева среды.

В-третьих, крупные углеродные молекулы являются ключевыми строительными блоками жизненно важных молекул, в том числе, ДНК и РНК. Следовательно, уточнение химических формул этих молекул важно для построения теорий формирования и роста сложных органических молекул, которые вероятно могут сформироваться в условиях межзвездной среды. Статья опубликована в журнале MNRAS.

ИНАСАН

6 статей

Институт астрономии РАН – Федеральное государственное бюджетное учреждение науки. Институт создан в соответствии с постановлением Президиума Академии наук СССР от 20 декабря 1936 года как Астрономический совет Академии наук СССР. В 2018 году передан в ведение Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Цель и предмет научной и научно-технической деятельности Института – получение и применение новых знаний в области астрономии и смежных с ней наук, космических исследований, а также инновационной деятельности. Институт ведет обучение по программам аспирантуры, рабочие языки – русский, английский.

Показать больше