Лабораторные исследования показали, как атомы углерода диффундируют по поверхности межзвездных ледяных зерен, образуя сложные органические (углеродные) соединения, которые имеют решающее значение для разгадки сложности космической химии. Список органических молекул, обнаруженных в космосе, и понимание того, как они взаимодействуют, неуклонно расширяется благодаря постоянному совершенствованию методов прямого наблюдения, однако лабораторные эксперименты, раскрывающие сложные процессы, также могут дать важные подсказки.
Художественное изображение образования органических соединений на межзвездном льду. Источник: МасасиЦугэ
Исследователи из Университета Хоккайдо, работающие с коллегами из Токийского университета в Японии, сообщают о новых лабораторных данных о центральной роли атомов углерода в межзвездных ледяных зернах в журнале Nature Astronomy.
Считается, что некоторые из самых сложных органических молекул в космосе создаются при чрезвычайно низких температурах на поверхности частиц межзвездного льда. Понятно, что частиц льда, подходящих для этой цели, во Вселенной предостаточно.
Все органические молекулы основаны на скелете из связанных атомов углерода. Большинство атомов углерода первоначально образуются в результате реакций ядерного синтеза в звездах и в конечном итоге рассеиваются в межзвездном пространстве, когда звезда умирает в результате взрыва сверхновой. Но для образования сложных органических молекул атомам углерода необходим механизм, позволяющий слипаться на поверхности частиц льда, встречаться с атомами-партнерами и образовывать с ними химические связи. Новое исследование предполагает возможный механизм.
При температуре выше 30 Кельвинов (минус 243 градуса по Цельсию / минус 405,4 градуса по Фаренгейту) атомы углерода диффундируют и объединяются вместе, образуя двухатомный углерод C2. Источник: МасашиЦугэ и др., Nature Astronomy. 14 сентября 2023 г.
Масаси Цуге, химик из Института криогенной науки Университета Хоккайдо, сказал: «В нашем исследовании мы воспроизвели возможные межзвездные условия в лаборатории и смогли обнаружить реакцию диффузии слабосвязанных атомов углерода на поверхности частиц льда и генерировать молекулы C2. C2, также известный как двухатомный углерод, представляет собой молекулу, в которой два атома углерода связаны друг с другом; его образование является конкретным доказательством присутствия диффузионных атомов углерода на межзвездных частицах льда».
Исследование показало, что эта диффузия может происходить при температуре выше 30 Кельвинов (минус 243 градуса Цельсия / 405,4 градуса выше нуля по Фаренгейту), а в космосе требуется всего 22 Кельвина (минус 251 градус Цельсия / 419,8 градуса по Фаренгейту выше нуля), чтобы активировать диффузию атомов углерода.
Масаси Цузуки (слева), первый автор и автор-корреспондент статьи, и Наоки Ватанабэ (справа), соавтор. Источник: МасасиЦугэ
Жежи сказал, что полученные результаты помещают ранее упускаемый из виду химический процесс в основу объяснения того, как строятся более сложные органические молекулы путем постоянного добавления атомов углерода. Он полагает, что эти процессы могут происходить в протопланетных дисках вокруг звезд, из которых формируются планеты. Необходимые условия могут возникнуть и в так называемых полупрозрачных облаках, которые со временем превращаются в области звездообразования. Это также могло бы объяснить происхождение химических веществ на Земле, которые могли дать начало жизни.
Помимо вопросов о происхождении жизни, это исследование добавляет фундаментальный новый процесс к множеству химических реакций, которые могут структурировать углеродную химию во Вселенной.
Авторы также суммируют современное понимание образования сложных органических химических веществ в космосе в целом и рассматривают, как реакции, вызванные диффузией атомов углерода, могут изменить текущую ситуацию.