Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

Вход Вход
iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР


Органические молекулы в космосе
 
 
  Проекты  
«Проекты ЗС» - это своего рода исследования, которые предпринимает журнал в отношении комплексов проблем, связанных с развитием науки, культуры и общества. Для рассмотрения этих проблем мы привлекаем специалистов из разных областей науки, философов, журналистов. Каждый проект – это их заочный диалог. Здесь мы выкладываем связанные с этим материалы: статьи, интервью, дискуссии.
Молекулы и звезды

Борис Шустов
Научный руководитель Института астрономии РАН,
член-корреспондент РАН

Лекция 3 ноября 2016 года

 

Молекулы на Земле и в космосе

О чем мы сегодня будем говорить? Молекулы и звезды в названии этой лекции ─ объекты абсолютно разных масштабов. Они отличаются по размерам, по крайней мере, на два десятка порядков. Мы будем упоминать и другие объекты, еще на 10 порядков более крупные, чем звезды. Но, тем не менее, вы увидите, как они взаимосвязаны. Например, без молекул, невозможно образовать звезды. Без молекул не может быть звездного неба над нашей головой. С другой стороны, именно звезды ответственны за образование молекул.

Но сначала мы вами сделаем простое введение на тему «что такое молекулы?».

Кому-то кажется, особенно школьникам 8-9 классов, которые начали изучать химию, что они уже все знают про молекулы. На самом деле, даже само определение молекулы вызывает некоторые разночтения. Нырнем в кладезь знания (которое сила), т.е. в Википедию, и посмотрим там на определение молекулы. Молекула – уменьшительное от латинского moles(масса), ну и дальше идет определение, что это электрически нейтральная частица, образованная из двух или более связанных ковалентными связями атомов. Но вот оказывается, что в молекулярно-кинетической теории, которую преподают не только в школах, но и в ВУЗах, – под молекулами понимают также и просто отдельные атомы. Здесь, на слайде, вы видите определение. согласно которому, молекула состоит из двух или более атомов, но есть и такое определение, по которому даже всего лишь 1 атом – называется молекула («моноатомная молекула»). Каждый, кто помнит формулу 3/2 kТ… поднимите руку, хоть кто-нибудь слышит, помнит? Молодцы! Так вот эта формула относится к тепловой энергии моноатомной молекулы или атома. Это частица с тремя степенями свободы. А мы в дальнейшем все-таки будем придерживаться классического определения молекулы, как частицы, которая состоит, по крайней мере, из 2-х атомов (и имеет число степеней свободы побольше трех).

Еще есть некоторые определения, которые я буду использовать, не пугайтесь. Молекулы могут быть ионизованы, т.е. если оторван электрон от нейтральной молекулы, то тогда получается молекулярный ион. Молекулы могут иметь несколько неспаренных электронов во внешней оболочке, например, всего один электрон, по аналогии с атомами щелочных металлов. И эта частица будет называться радикал. Радикал – это очень активное химическое вещество. Это может быть нейтральная частица или ион, Как правило, ионы являются радикалами – они очень химически активны (не обязательно, но чаще всего). Ну вот, пожалуй, потом мы будем далее эти понятия использовать. По крайней мере, вы об этом уже услышали. А дальше, если вопросы возникнут, то узнаем побольше.

Оказывается, о том вещество имеет молекулярное строение, догадывались давно (конечно, и Ломоносова вы вспомните и других), но экспериментально это было доказано совсем недавно по исторической шкале. В 1906 году Жан Батист Перрен, который через 20 лет получил Нобелевскую премию, за работу «по дискретной природе материи», на основе анализа броуновского движения доказал, что вещество, в частности, жидкости, состоит из молекул. Кто не знает, что такое броуновское движение? Весь зал знает. Вот молодцы! Отлично подготовлен зал. Здесь на слайде показана марочка с Жаном Батистом. Как звучит! Сколько великих людей носило это имя ─ Жан Батист Мольер, Жан Батист Ламарк и т.д.

Давайте, мы википедийное знание еще немножко освежим. Молекула – это не просто составная конструкция, состоящая из 2-х или нескольких атомов, а с точки зрения квантовой химии, она рассматривается как система, состоящая из отдельных атомных ядер и одной или нескольких общих электронных оболочек. То есть молекулы воедино объединяются электронными оболочками, и определяет свойство молекулы самая внешняя электронная оболочка. Здесь нарисована молекула, всем хорошо известная, Н2О в разных представлениях. Тут вот, например, в таком вот представлении. Вот атом О (кислород), тут атом водорода. Естественно, что настоящий размер молекулы очень мал – несколько ангстрем, а ангстрем - это 10 в минус 8-ой степени сантиметра. Вот такие характерные размеры простых молекул. Вы видите, что на рисунке молекула раскрашена, кислород тут красный, а водород какой-то такой бледноватый, но еще и внешняя оболочка тоже покрашена, причем неоднородно. Что это означает? А значит это, что ядро кислорода, более массивное, тяжелое, немножко оттягивает на себя электроны водорода и на этом (водородном) краю (полюсе) молекулы проявляется положительный заряд, а вот здесь, на другом краю (полюсе) –­ отрицательный. Молекула получается полярной. То полярная молекула - это конструкция, где заряды разнесены, на одном конце один заряд, на другом – другой. Полярность молекулы. важна с точки зрения возможностей ее наблюдений.

Вот в левом углу слайда показана самая главная молекула в космосе, мы много раз ее будем упоминать, – молекула водорода. Это симметричный объект. Вот объединились 2 атома водорода, у них появилась общая электронная оболочка. Абсолютно симметричная картинка. Никакой полярности нет. Неполярная молекула. Оказывается, это важное свойство, которое не позволяет наблюдать эту молекулу в самом «популярном» для наблюдений молекул радиодиапазоне.

А вот еще другой вид, точнее изображение, молекулы воды. Правая эта картинка – приближение квантово-механического представления о молекуле воды. Электрон в атоме водорода изображен в виде так называемой орбитали. Мы привыкли, старшее поколение особенно, (а младшее уже, наверно, нет), что атом изображается как некое ядро (например, протон для атома водорода), а вокруг него летает легкий электрон. Такая вот картинка. Если взять более тяжелые атомы, то будет несколько протонов и нейтронов в ядре, и несколько электронов летает вокруг. Это - планетарная модель атома. На самом деле, конечно, такой простоты нет. Протоны и нейтроны действительно сидят в ядре, а электроны рассматриваются не как частицы, а как размытые оболочки – такие облачка вероятности что ли. Электрон может находиться с разной степенью вероятности здесь, и здесь, и здесь. И вот эти электронные оболочки – это не просто оболочки как шкурка апельсина, а некое представление о распределении их волновой функции, так называемые орбитали. Самые сложные вещи я уже рассказал. Теперь будет, наверное, чуть попроще.

Один из моих учеников сейчас работает в Самарском Университете и занимается настоящей алхимией. Но алхимией не средневековой, как это было раньше, а современной. Здесь плохо немножко плоховато видно, но все же ссылку. Потом кто захочет посмотреть после лекции – увидит ссылку, и может по ней сам посмотреть, как все делается. Чем занимается Артем Кабанов? Занимается тем, что использует теорию функционала плотности. Простыми словами, это теория, которая описывает, как распределены облака электронов. Это очень важно, потому что мы уже видели, что для молекулы самое главное – именно форма электронной оболочки, т.е. распределение электронных облаков. Именно она ответственна за все химические взаимодействия. За эти работы в 1998 г. была получена Нобелевская премия. Это, конечно, не Артем, Артему еще далеко до Нобелевской, но оказывается он математически уже многое может сделать. Можно взять модель молекулы, т.е. сконструировать модель из разных атомов, попробовать их соединить, убедиться – получается или не получается. Решение, т.е. общая электронная оболочка с минимальной энергией, необязательно получается. Если получается, то теоретически можно предсказать, какие будут свойства вещества. Если это твердое тело, то предсказать плотность, температуру плавления и т.д. То есть комбинируя различные атомы, соединяя их в молекулы, строя из них кристаллы, можно теоретически предсказать какие будут характеристики смоделированного вещества. И наоборот –задавая требуемые свойства – подбирать под эти требования атомы, конструировать молекулы и т.д.. Другое дело – технология, как потом выстроить эти атомы. Нахождение этих комбинаций – и есть современная алхимия.

 

А как все-таки люди узнают строение молекулы? Самое мощное средство сейчас – это рентгеновские дифракционные спектрографы, вот тут по-английски написано Экс-рэй дифракшен. Это значит, что если облучать молекулы рентгеновским излучением, то они работают как решетки дифракционные, и по картине спектра можно сказать, как устроена молекула. А можно облучать не рентгеновскими квантами, а электронами. Та же самая, но еще более детальная картина получается. Если, скажем, вы берете молекулу, про которую вы не знаете, как она устроены, облучили и ее узнали ее строение, то дальше с помощью теории функционала плотности можно определить ее свойства. Даже не задумываясь о том, что нужно смешивать что-то в пробирках, или что-нибудь нагревать, крылом летучей мыши размахивать (как там алхимиков всегда рисуют). Ну я просто для образа.

 

Тут сидит несколько людей, которые профессионально занимаются астрофизикой молекул и даже, конкретнее – так называемыми, полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). Это очень популярные частицы, очень важный вид, молекулярных соединений в химии. Сейчас пару слов об этом скажем. Вот по этой базе данных, можно найти заранее построенные модели инфракрасных спектров полициклических ароматических углеводородов. Потом когда из спектров, которые мы наблюдаем, от разных, наземных и космических источников мы пытаемся понять что мы наблюдаем, эта база данных может помочь. Если наблюдаемые и модельные спектры совпадают, мы говорим, что, мы знаем, что это за частица, имеющая такой спектр. Итак, вот они эти самые ПАУ - полициклические, ароматические углеводороды.

 

Здесь на этой схемке нарисовано несколько молекул. Некоторые из них вам известны, названия, по крайней мере. Некоторые не совсем, но я вот пару слов сначала скажу про эту. Здесь по-английски написано Пи Эй Эйч, это ПАУ. Вот такая решеточка из бензольных колец, они называются ароматические потому, что (мы еще потом вернемся) первые исследованные ПАУ были довольно пахучие вещества, например, нафталин. Сейчас почти все органические вещества делят на ароматические (хотя не все из них пахнут) и на алифатические, так называемые, жирные вещества, но это тоже необязательно, что они действительно жирные. Так уж получилось.

И вот какие молекулы вы здесь видите замечательные. Я сам не выговорю сразу. Вы прочитайте. (Знаете, когда в химический справочник заглянешь, то все сломаешь, язык, глаза, и веру в себя.)

Вот этанол. А кто знает, что такое этанол? По-русски говоря… Это настоящий питьевой этиловый, спирт. Ну и дальше тоже вот эти молекулы, видите, имеют трехмерную сложной структуры, это так называемые нелинейные молекулы. Вы видите, их оболочки окрашены. Это что у нас значит? Это - полярные молекулы. Заряды разнесены, это важно, потому, что если молекула полярная, то при ее вращении – излучаются или поглощаются электромагнитные волны. Это очень важно с точки зрения наблюдений.

Это синильная кислота. Линейная полярная молекула. Тоже всем понятно.

 

Вернемся еще раз к этим самым ПАУ. Когда вы видите дым, который выходит из выхлопной трубы вашего двигателя или из сигареты (я надеюсь, молодежь не курит, правда?), так вот, это те же самые ПАУ. Немножко странное вещество, поскольку в нем соединяется жизнь и смерть (тот самый дуализм). Как вы знаете, этот дым, эти частицы, с одной стороны – канцерогены. То есть приводят к смерти. А с другой – биохимики считают, что на основании именно бензольных колец начали строиться наши молекулы жизни. РНК прежде всего. Ну и как подвид – ДНК. Да, те самые. Поэтому, все в мире связано, и великий, Энгельс был прав, ну и философы, которые до него были.

 

Мы все говорим про наземные молекулы, хотя часть из них, конечно, есть и в космосе. А теперь все-таки, про молекулы в космосе. Это ведь тема лекции. Мы сами состоим из молекул. Есть, конечно, кристаллы, состоящие из атомов, скажем, металлов и т.д., но все, что окружает нас вот здесь, например, в этой аудитории – молекулы, макросоединения молекул и пр., их здесь гораздо больше, чем атомарных веществ. А вот, что касается космоса, то еще сравнительно недавно, до 30-х годов прошлого века считалось, что молекул там нет. Считалось, в частности, что молекулы, будь они помещены в межзвездное, межпланетное пространство под жесткое излучение звезд будут просто разваливаться. Прилетит энергичный квант от звезды и развалит молекулу. Но, тем не менее, молекулы в космосе были обнаружены. В оптическом диапазоне удалось обнаружить несколько видов молекул (затем 20 лет других молекул не было найдено). Это обнаружение было выполнено по оптическим линиям поглощения в спектрах звезд. Повезло, что некоторые линии молекул лежат в оптическом диапазоне. Но их мало. Вот все они и были обнаружены в тридцатых годах. Наш замечательный астрофизик Иосиф Самойлович Шкловский предсказал еще в 52-ом году, что в космосе, несмотря на вот эти опасения, должно быть очень много разных молекул. И действительно, как только появились мощные радиотелескопы (ну, первые радиотелескопы с нашей точки зрения были не мощные, но тогда это все равно был прорыв), т.е. инструменты, с помощью которых можно было принимать радиоизлучения из космоса, вскоре были обнаружены молекулы. Их много. Сейчас известно около 200 молекул в космосе. Это основных видов. И плюс еще (мы еще коснемся этого общеобразовательного момента) еще несколько сотен (может быть до 400) изомеров. Потом поясню, что это такое. Так что молекул в космосе много разных.

 

Вот список молекул, обнаруженных в космосе по состоянию на начало года. Видите, от 2-х-атомных до 13-атомных. Красным выделены ну наиболее, наверное, известные, важные, интересные. Вот это самая главная молекула, самая распространенная молекула в космосе Н2 – молекулярный водород, вода H2O, очень интересный для любого химика ион Н3 плюс, особенно для астрохимика, (через него идет множество реакций в космосе). Вот аммиак, метан. Вот, кстати, кто интересовался какой спирт не надо пить – это вот этот. А вот этот можно. А вот это уксусная кислота – тоже не надо пить. А эта молекула возможно элемент белка. Это очень интересно, они (такие соединения) пока под вопросом. Их то открывают, то закрывают, но когда в космосе нашли элементы белков, то это стало мощнейшим или станет, когда будет полностью установлено, мощнейшим подтверждением того, что даже белковая жизнь, точнее ее истоки, могут находиться именно там в космосе. За пределами нашей Галактики найдено 60 видов молекул, а в нашей, как уже говорилось, около 200.

 

Спектры молекул. Это главный источник информации о молекулах и о тех областях, где они обнаружены. Как, например, мы знаем, что в данном месте есть такие-то молекулы? Каждая молекула, как и каждый атом, имеет свой спектр. Спектр поглощения или спектр излучения, это неважно. Атомы и молекулы в газе, излучают или поглощают не непрерывно. А в линиях. Все из вас слышали, что такое спектр Фраунгофера, и видели эти полосатые спектры. Отличие от твердого вещества состоит в том, что в твердом веществе гораздо больше (я говорю физическим языком) степеней свободы для частиц, и твердые вещества излучают или поглощают в непрерывном спектре. Вот, например, слева, на этой картинке спектра – вот так поглощает молекула СО2 в газе, видите сколько полос, сколько разных линий, очень сложный спектр. Молекулярные спектры несравненно сложнее атомных. Просто больше степеней свободы и больше возможностей, как говорится, запутаться. А вот это просто твердый лед, замерзшая двуокись углерода, он дает без всяких деталей просто одну линию, очень широкую но одну. Итак, твердые вещества, как правило, дают спектр непрерывный, а газы, молекулы, атомы –линейчатые спектры. Именно эти линии и позволяют узнать точно, какой это элемент, какая молекула, какой газ мы наблюдаем. Справа – типичный пример спектральных проявлений молекул в спектре планетарной туманности. Кто не знает, что такое планетарная туманность хотя бы в принципе? Знаете – молодцы! Значит, вы все знаете, что последняя стадия эволюции звезд сопровождается сбросом оболочки, эта оболочка в течение нескольких тысяч лет ионизуется излучением звезды и светится, как вот на этой картинке справа внизу. Уильям Гершель называл такой объект планетарной туманностью просто по аналогии с планетами (он тогда не знал основ физики и эволюции звезд). Так вот спектр показывает, что даже в планетарной туманности, где все-таки температура высокая, 10 в 4-ой кельвинов, даже там выживают молекулы. Вот эти молекулы вверху справа на врезках, а это спектр молекул или молекулярных комплексов, которые называются фуллеренами. Это еще одно слово, которое вы часто, может быть, слышали, но не все знают, что это такое. Теперь я рассказываю чуть подробнее.

 

Фуллерены – это макромолекулы, их еще по-английски называют бакиболз (buckyballs) – это такие шарики красивые, математически хорошо описываемые, вот они слева. Пустые углеродные шарики ажурной конструкции, которые назвали фуллеренами по имени архитектора, философа, и также геодезиста Ричарда Бакминстера Фуллера. Их иногда еще называют бакиболз. В 1967-м году был ЭКСПО – всемирная выставка, в Монреале. Там по проекту Фуллера была построена, так называемая биосфера. Разрешение на экране не очень хорошее, но видно, что это шар был построен из регулярных элементов. Биосфера напоминает структуру фуллеренов, выявленную методами, которые я описывал ранее. Частиц (атомов) углерода в сфере этой может быть 60, а может быть и 70, может быть и больше, до 400 известно. Вот такие интересные молекулы с конструкцией как перекати-поле, чрезвычайно оказались интересными и важными для наземных технологий. В технологиях, а здесь перечислены далеко не все, фуллерены, как здесь написано, широко используются. И для полупроводниковой техники и т.д. За фуллерены тоже была получена Нобелевская премия.

 

Я здесь показываю свежий результат обнаружения фуллеренов как раз по тем базам данных, о которых мы говорили. Сравнили лабораторные спектры, какие должны быть теоретически, со спектрами, которые получили в наблюдениях, и сделали вывод – это фуллерены. Вот так было сделано в 2015-ом году, это свежая работа.

Дальше идем. Еще интересные факты. В окрестностях молодой звезды с помощью радиотелескопа АЛМА (я покажу его на следующей картинке) или АЛьМА, так иногда произносят, были обнаружены молекулы гликолевого альдегида. Это сахар, один из видов сахаров. А сахара – это довольно такой серьезный, глубокий признак ну не жизни, но, по крайней мере, тех процессов, которые приводят к образованию живого. Это уже высокоорганизованное органическое вещество. Вот на слайде знаменитая для астрономов область – молекулярное облако ρ Змееносца. Показано, где эти фуллерены были найдены.

 

АЛМА – это самый крупный радиотелескоп. Состоит из 66 вот таких тарелок, антенн, радиотелескопов единичных, но они все соединены в сеть, и это позволяет работать с ними как с единым телескопом. Причем они могут ездить, раздвигаться и работают как один огромный телескоп, а может и каждый единично работать. Это великий инструмент, запущенный в строй сравнительно недавно. Создан усилиями очень большого консорциума европейских стран. Он находится на высоте 5 километров в Южной Америке в сухом-сухом месте, которое называется плато Чайнантор. Качество проектора неважное, и я совершенно не могу профессионально интересующимся людям показать те полосы пропускания в рабочем диапазоне АЛМА от 50 до 900 гигагерц, которые позволяет атмосфера на этом плато. Давайте прикинем, частота 30 гигагерц – это длина волны 1 сантиметр. Значит, 50 гигагерц будет, соответственно, 3/5 сантиметра. А 900 гигагерц это примерно в 20 раз больше. То есть мы имеем субсантиметровый и субмиллиметровый диапазон. В этом диапазоне излучают молекулы, и в этом диапазоне излучает пыль. АЛМА – телескоп, который позволяет увидеть излучение самых запыленных, холодных и самых насыщенных молекулами областей во Вселенной.

 

Дальше. Есть странные молекулы, которые обнаружили только в космосе Они теоретически известны, но все же на Земле их нет, потому что они слишком активны. На земле такая молекула как CH+ не проживет и микросекунды, она мгновенно прореагирует. Это сверхактивный радикал. Нигде на Земле они не могут выжить.

Или, например, совершенно странная с точки зрения тех, кто слушал курсы химии, молекула – аргониум. Аргон как известно, газ благородный, который вообще в химические реакции не вступает, а вот тут нашли соединения аргона, который соединился с водородом. Вот он - ион аргония ArH+. Спрашивается, как это может быть. Ну посчитали, подумали, как может образоваться такое соединение. Оказывается, что при очень серьезной бомбардировке космическими лучами, то есть быстро летящими частицами, которые возникают, например, при взрывах сверхновых, аргон может превратиться в ион и есть условия, когда он захватывает атом водорода. Сейчас считается, что, если наблюдается аргониум, то значит там очень много (высокая плотность) космических лучей.

 

Я произносил слово «изомеры». Это понятие простое, но крайне важное, интересное и по поводу изомеров нужно сделать важные замечания. Вот вы взяли набор атомов, и составили из них молекулу, а могли из тех же атомов составить другую молекулу. Просто в другом порядке. Здесь так и нарисовано. И это разные вещества. Вот видите, здесь даже написаны разные названия. Не пьется, сразу скажу. Казалось бы, изменения незначительны, ан нет. Вот видите, переехал один атом водорода сюда, показан звездочкой, и это уже другое вещество. В молекулах, еще раз повторю, это очень важно, это основа химии, понять, что все определяется свойствами электронной оболочки. Если вы изменили структуру внешней электронной оболочки – будут другие химические свойства. Другой запах, другой вкус, другой цвет, другие реакции и все. Этим все определяется. Хотя составляющие атомы те же самые. Изомеры поэтому важны. В промышленности много используется изомеров самых разнообразных.

Но вот на нижнем рисунке представлен еще один довольно интересный вид изомерии. Здесь даже порядок расположения атомов тот же самый, но, правда, в зеркальном отражении. Здесь недаром нарисованы две руки. Молекулы, которые являются копией друг друга в зеркальном отражении – называются хиральными. Слово это происходит от греческого слова хейр, это не прическа, это рука. Отсюда слово, которым называют некоторых из тех, кто пытается обдурить население. Как называются люди? Хироманты это от руки, конечно, гадальщики по рукам. Теперь, я все-таки этот тест всегда проведу, потому что мне интересно, как развивается культура молодежи. Кто читал «Понедельник начинается в субботу»? Ой, какие молодцы. Бальзам до сердца. Как вы помните, там упоминался некий спор между гекатонхейрами. Мы сразу догадываемся, что гекто это 100, значит это сторукие великаны. Так вот эти молекулы, казалось бы, совпадают, это одна и та же молекула, электронная оболочка выглядит также, но нет. Совместить их положение в пространстве невозможно никакими поворотами (как правую и левую руку). Если вы рассмотрите те молекулы, что составляют органику, особенно живую органику, т.е. молекулы из которых состоим и мы, то оказывается, что почти все молекулы живого, по крайней мере, на Земле, являются, так называемыми левыми, левовращающим. По-английски их называют леворукими. А праворуких нет, хотя, казалось бы, из простой статистики, когда атомы соединяются в молекулы – и такие и такие должны получаться, но оказывается, нет. Живые системы, как самоорганизующиеся, отбирают и создают только то, что им подходит. Здесь проявляется естественный отбор. Вот поэтому левовращающая молекула в основном доминирует, хотя кажется, что так не должно быть, поскольку по формальной статистике, из набора атомов в случайном процессе должны формироваться молекулы разной хиральности. Хиральность ˗_ это существенно. Если вы, например, принимаете лекарства, то лекарство из левовращающих молекул на вас действует, а из правовращающих таких же молекул – действовать не будет. Эти молекулы пахнут, а такие же, но другой хиральности – нет. Потому что все ваши рецепторы, состоящие из молекул, настроены на левоориентированные молекулы.. Вот такая штука странная – хиральность и обусловленная ею избирательность.

 

Наблюдения в космосе доказывают, что в космосе, где живых существ нет, этой системы отбора, этой машины самоорганизующей – наблюдаются и такие и такие молекулы. Вот эта работа совсем свежая - 2016 года. С помощью Грин Бэнк Телескопа – вот его фотография (это тоже радиотелескоп) молекулы пропиленоксида были обнаружена в хиральных вариантах. Кстати , этот, обзорный проект называется «Обзор межзвездных пребиотических молекул». Так что вы видите, как далеко мы заходим.

 

Молекулы и первые звезды

А теперь мы чуть-чуть ближе начинаем к звездам подходить. Я думаю тоже здесь очень подготовленная аудитория, молодцы.

 

Вы, наверно, знаете каков современный итог инвентаризации Вселенной. Он дает примерно такой результат. Масса барионов где-то 4%. А так называемого темного вещества в разы больше. Мне не нравится словосочетание «темная материя» – это прямой перевод с английского darkmatterили с немецкого dunkleMaterie, поскольку Фриц Цвикки написал исходную работу по-немецки. Материя, как мы считаем – это вещество плюс поля излучений и так далее. Поэтому лучше говорить, конечно, про вещество, и правильнее переводить – темное вещество. Что это такое – непонятно, но оно но доминирует в общей массе вещества во Вселенной. То есть вы видите, что масса темного вещества в 5-6 раз больше, чем масса барионов. А барионы – это то самое обычное вещество, из которого мы с вами состоим и вообще все понятное нам. А вот что это такое темное вещество? (Я читал лекцию в Планетарии несколько лет назад, она называлась «Скрытая масса – великая загадка космоса», если кто захочет, она в youtube выложена, посмотрите. Там довольно интересно, мне кажется, и что можно что-то почерпнуть).

 

Итак, а нашей Вселенной доминирует темное вещество. Считается, его в 5-6 раз больше чем обычного вещества. А теперь немножко про историю нашей Вселенной. Большой взрыв мы опускаем, я сам не понимаю до конца всей физики этого процесса и его математики. Это довольно сложная для представления на уровне пальцев уровня материя. Итак, в первые несколько секунд после Большого взрыва во Вселенной появились атомы – водород, гелий и крайне малое количество дейтерия и лития. Крайне малое. То есть можно сказать, что газ был водородно-гелиевый. Газ были раскален, Вселенная расширялась. Расширяющийся газ охлаждается, и как только температура упала где-то до нескольких тысяч градусов, то ионы, в данном случае протоны (ион водорода – это протон) и электроны стали соединяться в атомы, началась реионизация. То есть барионное вещество стало нейтральным. Но главным было не оно. А главным было то самое темное вещество, о котором мы говорим. И его, еще раз напомню, в 5-6 раз больше чем обычного (барионного). Поэтому следить нужно прежде всего за судьбой темного вещества. Поскольку в гравитационном плане оно доминировало. Вот здесь нарисованы возмущения плотности.

Если кто-то любит заморачиваться с расчетами (это иногда очень полезно, помогает понять физический смысл), смоделируйте огромное облако гравитирующих точек, пусть одинаковой массы, это не важно, равномерно распределенных, хотя вы равномерно распределить никогда не сможете, будут небольшие флуктуации. Так вот, если вы отпустите облако эволюционировать (и будете довольно точно считать) – у вас обязательно вот эти мелкие начальные возмущения плотности, которые всегда есть (из-за округления, из-за чего хочешь), будут приводить к тому, что в некоторых местах гравитирующие точки будут накапливаться, сгущаться. За счет гравитации. И появятся уже заметные неоднородности – возмущения плотности. На слайде так и написано – рост возмущений плотности. Эти возмущения плотности нарастают в том самом темном веществе, потому что гравитирующие точки и есть модель темного вещества. Напомним, что темное вещество обладает одним свойством – гравитацией. Его существование обнаруживают только по гравитационным воздействиям.

 

На слайде картинка, которая была получена в 2001 году, в проекте Миллениум. Было взято огромное количество, даже гигантское – триллионы вот этих самых гравитирующих точек, и запущена эволюция. К темному веществу был подмешан, конечно, еще и барионный газ, но главная доминанта была темное вещество. И вот вы видите структуры, которые появляются со временем. Это вот слева было очень давно – 210 миллионов лет после Большого взрыва. Это одна структура, здесь просто масштаб разный. На верхней картинке, масштаб помельче, здесь, внизу, покрупнее. А справа показано то, что получилось к нашему времени. Та же самая область во что превратилась. В сгустки. То есть первоначальные слабовыраженные сгустки – они собрались в такие уже весьма заметные и крупные. Мы их называем гало темного вещества, это огромные скопления темного вещества массой до 1015 масс Солнца.

 

Теперь еще немного на наглядном уровне. Вот видите возмущения плотности, которые всегда есть. Некоторые из возмущений плотности были такими большими, что их самогравитация (Гравитация – это важнейший фактор, который доминирует в эволюции всей Вселенной) определила их судьбу. Иногда появлялись настолько массивные и плотные сгустки, что самогравитация уже не позволила им рассыпаться. Когда перейден некоторый (джинсовский) порог, эти гравитирующие сгустки стали самостоятельными. Их называют гравитационно связанными объектами, и они и есть первые темные гало. А вот эти небольшие флуктуации рассыпались, потом появлялись новые. Выглядит как волнение такое переменчивое, оно всегда было, но иногда на фоне волнения появлялись устойчивые сгустки. Сгустки начали жить своей жизнью. Они перемещались, но главный процесс в их жизни – это слияния. Оказывается, что если вы возьмете сгустки, состоящие из темного вещества (первые сгустки были массой порядка 10 в 4-ой масс Солнца), то в отличие от Кеплеровкой механики 2-х точек (из 2-х точек, из двух звезд, которые сближаются с очень большого расстояния, вы никогда не образуете двойную звезду. Это невозможно. Нужно уменьшить полную энергию системы, какую-то ее долю удалить, только тогда образуется двойная) эти вот сгустки могут спокойно соединиться и слиться. Этот процесс слияния происходил многократно.

 

Эта тема затрагивалась 2 года назад, я читал лекцию по эволюции галактик, показывал, как это делалось. Слайд взял оттуда. Итак, слияние возможны и даже неизбежны. Тонкие детали процесса его еще до конца не исследованы. Если кто захочет сделать кандидатскую диссертацию – приходите, поговорим на эту тему. На слайде показаны эти самые слияния в виде дерева слияний. Были слияния большого с малым, слияния объектов одинакового размера и так далее. Слияния, их иногда называют мержинги (merging) шли боттом-ап (bottom-up). Это слово означает, что процесс шел снизу вверх. То есть от мелкого к крупному. Еще говорят «боттом-ап» на Западе, и даже в Китае, когда хотят сказать «пей до дна». Не путать со Вселенной.

 


Вот картинка, которая иллюстрирует эволюцию темного вещества и барионов. Вот видите, темное гало, вот это его гравитационная потенциальная яма. Я никого не пугаю, вы все знаете, что такое потенциальная яма. И естественно, что ведомые, влекомые барионы – они просто падали в эту яму. Падали, накапливались, а поскольку барионное вещество, мы говорим, диссипативное, то есть может терять энергию, то уплотнения могли происходить очень сильные. Поэтому барионы в области их скопления начинали доминировать над темным веществом. Если поговорить об образовании галактик, то вот здесь на дне потенциальной ямы, изначально сформированной сгустком темного вещества и сильно углубленной попавшими в нее барионами, образовался уже барионный сгусток, а вокруг него простиралось темное гало. Здесь, на краях ямы доминирует темное вещество, поскольку, как вы видите, нет разницы между красной и черной кривыми. А вот здесь, на дне ямы, где накопились барионы, из них образовались галактики или скопления галактик.

 


Но сначала, прежде чем дойти до галактик, из этого вещества образовались первые звезды. Это были очень странные объекты, поскольку содержали газ из водорода и гелия, который не мог эффективно охлаждаться, а для того, чтобы образовать звезду, ее нужно охладить. (Мы вскоре к этому вернемся.). Эти первые звезды, образовавшиеся из плохо охлаждающегося горячего газа, были массивными, в 1000 массивнее Солнца, может в 100, варианты есть всякие, но в любом случае очень массивные.

Эти массивные звезды взорвались, а перед взрывом в недрах этих звезд были синтезированы первые тяжелые элементы, элементы тяжелее гелия. Мы называем их также металлами (это жаргон астрономический, мне он не нравится, но вынужден использовать), или тяжелыми элементами. Итак, в межзвездном газе появились тяжелые элементы. Например, углерод, кремний и др.. Здесь, на слайде, конечно, не фотография, это просто рисунок художника. Металлы, которые были выброшены из первых звезд в межзвездную среду обогатили ее – и впоследствии межзвездный газ был уже обогащен этими тяжелыми элементами. Тяжелые элементы являются прекрасными охладителями. И пока их не было, нечем было охлаждать. Для того, чтобы сжать газ и образовать звезду – его нужно охладить. Иначе газ будет как резиновый. Его можно толкнуть, он будет вот так болтаться, это называется адиабатическое колебание. И все. Для непрерывного сжатия надо обязательно потерять энергию, чтобы эти колебания сходились и, наконец, плотность достигала тех самых звездных значений. Так вот, оказывается, охладителями в первичном газе, где металлов не было) могли быть только молекулы.

 


Конечно, молекулы не могли существовать, потому что газ был нагрет до температуры 10 в 4-ой кельвинов, точнее не могли существовать долго. Но при некоторых реакциях, например, в реакции трехчастичных столкновений (плотность-то была большая и если в обычном космосе 3 частицы сталкиваются практически никогда, то здесь в первых звездах это были частые события) было возможно образование молекулы Н2. А вот молекула Н2 – мы на следующем кадре увидим – она уже является охладителем. То есть, что такое охладитель, как он действует. Это значит тепловая энергия частиц, которые летают в газе, и сталкиваются, в частности, с молекулами, уходит на возбуждение энергетических уровней молекул. Молекулы сбрасывают эту энергию через инфракрасное, например, излучение, для которого звезда прозрачна. То есть тепловая энергия тратится на молекулу, а молекула сбрасывает энергию, и она, уходит в космос в виде излучения, а вещество при этом охлаждается. Вот такой охладитель – молекула Н2. При более низкой плотности работала и такая реакция.

Итак, закрепим. Без молекул Н2 не появились бы первые звезды. Без первых звезд не появились бы металлы, хорошие охладители. Без металлов не появились бы звезды, которые мы сейчас наблюдаем. Все современные наши звезды образуются из вещества, из холодного газа, газопылевой среды, которые охлаждаются при сжатии путем излучения молекулами и пылью, т.е. микрообъектами, содержащими тяжелые элементы.

 

Теперь один научный слайд – скорость охлаждения. Молекулы Н2 – хорошие охладители, при высоких температурах, т.е. скорость охлаждения высокая. Эта кривая - для высокой плотности, эта – для низкой плотности. Высокая температура означает, что столкновений больше, чаще образовывались и возбуждались молекулы Н2. А вот здесь где-то уже на температуре 200 градусов порог, здесь уже молекулы так редко образовывались и сталкивались, что охлаждением можно пренебречь. Итак, первичный горячий газ был охлажден до температуры в несколько сотен, скажем до 200 кельвинов, как раз излучением молекул.

 

В аннотации лекции было написано: без молекул не было бы звезд – вы все это прекрасно теперь сами понимаете, что звезд ни первых, ни последующих не было бы. Кстати, скорее всего самый дорогой астрономический проект, который называется Джеймс Уэбб, Телескоп, и который будет запущен в космос, скорее всего, после 18-го года (Вот он 6-метровый космический телескоп с составным зеркалом, предназначенный для наблюдений в инфракрасном диапазоне. Здесь много экранов, которые защищают его, потому что он предназначен для инфракрасного диапазона и его нужно охлаждать, потому что если он будет горячий, то собственное излучение «забьет» детекторы.), так вот этот телескоп предназначен, в частности, для обнаружения вспышек этих самых первых звезд через невероятные дали и миллиардолетия. Вспышка, которая, конечно же, происходит в энергетичном ультрафиолетовом или даже рентгеновском диапазоне, но из-за космологического увеличения длины волны излучения (космологический фактор z где-то тридцатка, а длину волны излученного фотона нужно умножить на z, чтобы получить длину волны регистрируемого фотона) из ультрафиолетового перемещается в инфракрасный. Поэтому вспышки, которые должен увидеть этот телескоп, это вспышки инфракрасные, они будут свидетельствовать о том, что мы видим взрывы этих самых-самых первых звезд.

 

Молекулы и звезды в нашу эпоху

Теперь молекулы и звезды в нашу эпоху.

 

Я здесь поместил портрет академика Виктора Амазасповича Амбарцумяна. Молодежь, может быть, забыла, но это был выдающийся математик, прежде всего, и еще астроном. На основе довольно простых соображений, изучая трапецию Ориона (это тесная группа молодых звезд, которые расположены примерно на сравнимых расстояниях друг от друга), он показал, что эти динамическая система не стабильна. Она должна разрушаться очень быстро, за времена в сотни тысяч лет. И это говорит о том, что раз такие мы наблюдаем системы, значит, эти звезды образовались только что, иначе они уже разлетелись бы.

Итак, звезды образуются в нашу эпоху. Виктор Амазаспович считал, что, звезды образуются из некого дозвездного сверхплотного тела, но все-таки сейчас доминирует главная точка зрения и она уже единственная, состоящая в том, что звезды образуются в самых плотных участках (ядрах) межзвездных, плотных так называемых молекулярных облаков в процессе их сжатия. Мы еще эту картинку увидим.

 

Молекулярные облака – у нас новый термин появился.

Если вы посмотрите на небо глазом, вы увидите темное небо и звездочки. Если вы посмотрите в телескоп – возможно, вы увидите гораздо больше звездочек, еще там побольше каких-нибудь пятнышек вроде планетарных туманностей и т.д. но если вы «посмотрите» в радиотелескоп, то увидите сплошную такую губку как на слайде. Так радиотелескоп «видит» небо в линиях СО. Здесь поплотнее, здесь поменьше, картина очень тонко структурирована. Если эту картину разглядывать, то вложенность вот этой губчатости – она вот такая, что ее можно назвать почти бесконечной. Такие математические конструкции называют фракталами. Здесь даже указана фрактальная размерность.

 


Молекулярные облака наблюдаются не только в линиях СО, но и в линиях других молекул они тоже видны. Просто в некоторых линиях молекул вы видите, довольно обширные, не очень плотные, так называемые, диффузные облака, в других очень плотные небольшие облака. Выглядят как ядрышки. Ну и вот, здесь (на слайде неважно видно) представлено описание иерархии молекулярных облаков. Указано, какие размеры, температуры, магнитное поле структур, но это все довольно специальные знания. Самые большие структуры имеют массы чуть ли не 10 в 7-ой масс Солнц, т.е. 10миллионов. Вот они – самые большие. А самые маленькие? А самые маленькие ядра молекулярных облаков уже имеют плотности (точнее, концентрации) частиц 10 в 4-ой в кубическом сантиметре и более, и характерные массы там порядка одной массы Солнца, а температуры более низкие, чем в диффузных облаках. Эти самые ядра, сгустки в молекулярных облаках – это именно те места, где образуются звезды. Именно здесь. В ядрах молекулярных облаков. В самых плотных сгустках.

 

Как наблюдают молекулы, в частности, в областях звездообразования? Прежде всего отметим важность радиотелескопов. Я уже говорил вам, показывая один из первых слайдов, что радиотелескопы – мощнейшее средство наблюдения молекул. Потому что молекулы излучают и поглощают в радиодиапазоне. В оптике очень мало, в ультрафиолете побольше, но в миллиметровом радиодиапазоне линий молекул наблюдается очень много. И в инфракрасном диапазоне тоже наблюдается излучение и поглощение молекул и пыли. Тот самый телескоп миллиметрового диапазона, о котором мы говорили – АЛМА (ALMA) – он предназначен в частности для таких наблюдений. Здесь другой нарисован инструмент – космический телескоп Гершель. Инструментов довольно много сейчас в мире и наземных и космических. Ну а в спектрах молодых звезд есть линии поглощения в ультрафиолетовом диапазоне.

 

Несколько лет назад я читал здесь лекцию «Ультрафиолетовая Вселенная». Мы уже говорили о том, что электронные переходы, при которых поглощаются или излучаются кванты в ультрафиолетовом диапазоне – самые энергетичные. Похоже на атомные переходы, показанные на слайде (здесь анимация работает хреновенько, но все-таки что-то есть). То есть электрон переходит с одного уровня на другой и либо излучается, либо поглощается, довольно значительный квант энергии, соответствующий длине волны, которая лежит, как правило, в ультрафиолетовом, иногда в оптическом диапазоне. Пониже проиллюстрированы колебательные переходы, молекула уже не единичный шарик, а система ядер и электронов (заряженных частиц), связанная электронными связями, вот она колеблется, а что происходит, когда заряды движутся? Движущийся заряд генерирует излучение электромагнитных волн. Для молекул, колебательные переходы, как правило, вызывают излучение (поглощение) в инфракрасном диапазоне. Ну и вращающиеся молекулы (на нижнем рисунке) тоже излучают (поглощают), но уже в субмиллиметровом в и миллиметровом радио диапазоне. Как получается линия поглощения? Если молекулы стукнуть, возбудить – она сбрасывает энергию, она излучает, т.е. появляется эмиссия. Что значит стукнуть? Стукают другие молекулы, которые движутся в газе. А если у вас есть источник излучения, и молекула находится на луче зрения к нему, то фотон от источника, который придет, он тоже может поглотиться и возбудить эту молекулу. Молекула потом переизлучает фотон, но уже не в том же направлении, а во все стороны. И значит, получается, на фоне источника ослабление потока, т.е. поглощение.

 

 

 

На слайде я просто продемонстрирую, что по отношению к молекуле Н2, все остальные молекулы очень малочисленны. По массе их где-то 10 в минус 5-ой (может быть 10 в минус 4-ой только для СО – главной молекулы после Н2), всех остальных еще меньше. Но тем не менее, все эти молекулы важны. Я уже про некоторые говорил, все они важны, в различном плане, но важны.

 

Молекула Н2симметричная, неполярная и она излучает или поглощает только в ультрафиолетовом диапазоне (электронные переходы), либо в инфракрасном (колебательные переходы). Так вот прямое обнаружение молекул Н2в ультрафиолетовом было сделано при помощи ультрафиолетового телескопа, который был запущен на метеоракете. Вот она показана - Аэропчела-150. И первый спектр был получен вот такой. Качество его (даже если бы у вас был хороший проектор) немногим лучше, чем вы тут видите. Такое туманное пятнышко. Более современный спектр конечно уже детальный. Вот мощные линии поглощения молекулы Н2 в ультрафиолетовом диапазоне. Здесь же близко линия дейтерированного водорода, молекулы HD.

 


Молекулярная спектроскопия – это самый главный инструмент, который позволяет нам понимать, что за свойства в этих самых облаках, где образуются звезды.

 

Даже один факт, что мы видим эту молекулу, мы ее наблюдаем – означает, что плотность этого облака, или лучше говорить – концентрации частиц такая-то. Если бы концентрация была меньше, то частоты столкновений не хватает, чтобы эту молекулу возбудить в достаточном количестве, чтобы много было излучения. Если облако слишком плотное, то работает ударная деэкситация (девозбуждение), то есть не успеет молекула излучить, как ее уже толкнула другая молекула, сняла энергию и все. Поэтому, если мы видим линию данной молекулы – мы уже знаем, какова концентрация частиц в данном объекте. Вот здесь показана, так называемая, критическая плотность. От 10 в третьей до 10 в восьмой частиц в кубике. Размах серьезный.

 


Наша группа в Институте астрономии, которая занимается вопросами астрохимии и звездообразованием. Одна из членов группы здесь присутствует, ну и я присутствую. У нас хорошая интересная работа, занимаемся разными вещами, вообще говоря, довольно свободно, нет у нас диктаторства никакого. Эта свобода позволяет творчески развиваться. Вот здесь на слайде 4 доктора наук. Один из них защитил буквально месяц назад диссертацию. Ярослав Павличенков. Он еще молодой человек. То есть 38 лет – это нормально. Другие тоже защитят, и все будет хорошо. Итого у нас 4 доктора, 3 кандидата и студенты есть, приходят.

 

Что и как мы делаем? Должен признать с горечью, что в России инструментов субмиллиметрового и миллиметрового диапазона – нет. Это беда. Есть проект, так называемый телескоп Суффа (радиоастрономическая обсерватория, создаваемая Астрокосмическим центром ФИАН. Обсерватория располагается на высокогорном плато Суффа в отрогах Туркестанского хребта в Республике Узбекистан), но это долгострой, и когда это будет построено – непонятно. Поэтому для наблюдения мы объединяемся с командами астрономамов из Германии, из Дании, из Франции, США и т.д., т.е. наблюдаем совместно. Ну естественно, а что делать.

А вот здесь на слайде упомянуты модели и обработка наблюдений. У нас особенно развиты теоретические работы по моделям, переноса излучения, динамические и химические модели. Мы используем и лабораторные данные. Часть лабораторных данных просто берем из мировых центров по астрохимии. Что такое центр мировых данных по астрохимии? Лаборатория, в которой приближают условия космического вакуума, температуры, излучения и измеряют скорости химических реакций, которые должны происходить и происходят в космосе. Мы же знаем, что молекулы образуются в результате химических реакций. Так вот скорость этих реакций и меряют. Ну и квантовые химические расчеты, один из них я вам показал в самом начале лекции, когда говорил про работу Артема Кабанова.

 

Спектры, которые мы получаем, в кооперации с нашими коллегами, выглядят примерно так. В одном месте куча линий, в других меньше. Я сейчас чуть-чуть поподробнее.

 

В одном месте облака эта линия выглядит так, в другом так, в третьем так, и вот догадайся, что это означает. Тут не догадываться нужно, нужно проводить расчет.

 

Расчет сложный, формулы на экране не видны, и хорошо, что не видны. Это такая кухня теоретическая, решается сложные интегральные уравнения переноса излучения в среде. Она позволяет из анализа спектров линий узнать, какова плотность, каково распределение плотности в объекте, какова температура, каково распределение температуры, какие скорости движения вещества в этом теле, как распределены химические вещества, в частности, молекулы того или иного вида, т.е. структуру, физические и химические свойства этого самого протозвездного объекта. То есть, узнать в каких условиях рождается звезда.

 


На слайде иллюстрация, как мы работаем. Показана так называемая карта вкладов, помогающая проанализировать составляющие, ответственные за форму линии. Ну, вот наблюдаемый спектр (внизу) мы проанализировали и думаем, что получили замечательный результат, знаем, как устроено это облако, и все остальное о нем знаем.

 


Но всегда в астрономии, в любых наблюдениях, есть такой дамоклов даже не меч, бог его знает, сколько там клинков, как на троне в «Игре престолов. А клинки эти означают множество решений. Может быть, мы нашли одно из решений, может быть оно не основное, не главное или вообще не физичное. Поэтому всегда, когда решается обратная задача по астрономическим наблюдениям восстановить структуру и свойства какого-то объекта, нужно доказать, что получено единственное решение. А для этого нужна дополнительная информация. А дополнительная информация идет из нашего понимания, как эти объекты могли образоваться. Поэтому мы строим, так называемые, химико-динамические модели. Они помогают понять что возможно, я что нет. Ведь математика может дать вам что угодно. Всегда нужно подходить с точки зрения, а возможно ли это со стороны физики и как это получить. Поэтому я привел высказывание Гейзенберга, перевел его так, а, проще говоря, – какой мы вопрос природе ставим, такой получаем ответ, а потом думаем, что это истина и есть. А если бы поставили другой вопрос? Тут непросто.

 


На слайде картина, которая наверняка известна всем любителям астрономии, – диаграмма образования звезды из молекулярного облака. Есть молекулярное облако. В нем, пока оно малой плотности, присутствуют молекулы СО. Это облако сжимается, в частности, из-за охлаждения молекулами и пыли. Появляются ядра, сгустки. Ядро, которое, сжимаясь, переходит под так называемый гравитационный предел Джинса уже будет сжиматься и далее. Тепловая энергия не может противодействовать сжатию, потому что тепло сбрасывается из ядра (излучается молекулами). Если бы не было охлаждения, то сжатие в какой-то момент остановилось бы. А поскольку есть молекулы и пыль, которые сбрасывают тепловую энергию, то ядро продолжает сжиматься. Появляются, поскольку плотность растет, все более и более сложные молекулы. Вот они обозначены здесь, слева внизу. Ну и, наконец, появляется протопланетный диск, а затем что-то вроде нашей планетной системы. Молекулы здесь везде присутствуют. Эти молекулы – свидетели всех процессов, которые происходят в протозвезде или в протопланетном диске. Мы этот процесс умеем моделировать с помощью компьютера.

 


Здесь просто я перечисляю, какие основные задачи решаются. Динамика, перенос излучения, астрохимия. Астрохимия в этих объектах довольно сложная. Я уже сказал, что видов молекул около 200, несколько сотен изомеров, которые тоже играют большую роль, а реакций аж под семь с половиной тысяч. И эту гигантскую матрицу нужно уметь решать. Это серьезная очень задача. Добавлю только, что мы берем скорости химических реакций из лабораторий. Они, как правило, самые точные, но некоторые скорости известны лишь теоретически и там может быть ошибка в 3 раза и даже в 10.

 


Пожалуй, самые сложные и самые интересные реакции – это не те, которые происходят в газовой фазе, а те, что протекают на поверхности пылинок, т.е. на каталитической поверхности. На поверхности пылинок может образоваться молекула, которая никогда не образуется в обычном межзвездном веществе в газовой фазе. Например, та же самая молекула Н2. Для ее образования там (в газе) слишком мала плотность. В первых звездах плотность была большая, поэтому они временно образовывались, как вы помните, а здесь нет. Молекула образуется, когда 2 атома водорода садятся на пылинку, гуляют по квантово-механическим коридорам, и если время их жизни на пылинке достаточное, т.е. если они не улетят с пылинки прежде чем успеют встретиться в какой-то потенциальной ямке, а на поверхности твердого тела они (такие ямки) всегда есть, то там есть возможность соединиться, и получается молекула Н2. Кроме молекул Н2 там могут образовываться очень сложные молекулы. В том числе и высокая органика. Кроме того, даже из льдов, ну, скажем, из углекислого льда или из воды под жестким облучением ультрафиолетовым от звезды образуются очень сложные соединения. Здесь вот такая картинка и показана. Что-то очень сложное. Например, дегти образуются и т.д. Считается, что именно на космической пыли образуются самые сложные молекулы. А потом эти пылинки слипаются в сгустки – планетезимали. Из них образуются планеты, планеты разогреваются, вся органика разрушается, погибает, но потом остальные планетезимали падают на планеты и приносят органику. Органический суп, из которого, в конце концов, мы не знаем, как, точнее я не знаю, как, (может быть кто-то из вас знает), образуется жизнь.

 

Ну вот, похвастаться хочу. Несколько лет назад наша команда в сотрудничестве с коллегой из Германии по фамилии Семенов смоделировали, как бы выглядели вот эти самые диски, которые образуются вокруг молодых звезд. Вот эта модель. А сравнительно недавно, сейчас мы только пишем статью, я даже там не участвую, потому что это мои молодые коллеги все сделали, оказалось, что наблюдения на АЛМА показывает, как реальные диски выглядят и есть почти полное совпадение с нашей моделью. Это предсказательная сила теории. Здесь можно гордиться.

 

Молекулы в звездах и возле звезд

Ну и последний очень небольшой раздел, тема которого – а есть ли молекулы в звездах. В современных звездах. Да, есть.

 

Вот картинка, на ней указано какие основные элементы мы наблюдаем в звездах. В горячих звездах классов до G, до Солнца, в основном наблюдается водород и некоторое количество металлов. Молекул нет. Например, в спектрах звезд спектрального класса А доминирует, водород. А вот уже в холодных звездах доминируют молекулы, например, окись титана. И на Солнце эти молекулы есть, но мало. Здесь доминируют другие элементы кальций, железо и т.д. На диаграмме Солнце – вот здесь. А в коричневых карликах этих недозвездах, молекул вообще много. Ну понятно, холодные, плотные объекты, в которых молекулы легко образуются. Вот они тут (справа) некоторые молекулы перечислены. Далеко не все. Молекулы есть и в звездах, и в околозвездном веществе. Как молекулы вообще могут образоваться, и как образуется пыль – в одной фразе сказать сложно. В прошлом году я прочитал лекцию «Пыль в космосе», в частности о том, как образуется пыль. Пыль очень важная компонента. Собственно, мы все родились из этого праха, и все обратимся в прах, так говорит великая книга. (Библия. От Экклезиаста).

 


Молекулы в протопланетных дисках опускаю, на слайде вы прочитать не сможете, но их там полно.

 

Ну и, наконец, молекулы в атмосферах экзопланет. Вы знаете, что сейчас обнаружено около 3000 планет вокруг других звезд и мы астрономы (я в общем, здесь никаких моих личных заслуг нет) наблюдаем молекулы, в том числе в этих объектах. Молекулы есть везде. И мы особенно пытаемся найти молекулы, которые называются биомаркерами. Это метан, вода и т.д., которые, как правило, сопровождают жизнь нашего типа. Скажем, углеродные формы.

 

Ну и вот выводы. Вы уже их прочитали. Ну и, пожалуй, просто это моя традиция, всегда в конце нужно немножко похулиганить. Поэтому, пусть не про все поведал я, впадать ни в грусть, ни в раж мне не дадут молекулы С2 Н5 ОН. Ну и дальше предупреждение. Коллеги, спасибо. Вопросы.

 

 

Вопрос из зала: Скажите, отличимы ли молекулы, обладающие хиральностью?

Космические молекулы различной хиральности различаются по поляризации их излучения. Молекулы, обладающие другой (для нас) хиральностью могут быть нашими органами чувств (химически) неразличимы. Наш организм воспринять их не сможет. Есть гипотезы на тему того, каким образом мы заполучили именно левую хиральность. Я в этом не эксперт.

Я чуть-чуть упомянул, что, вообще говоря, по законам статистики рождаются как те, так и другие. Но самоорганизующаяся система обязательно обладает свойством самопроизводства. А самопроизводство означает определенную унификацию Вот у вас есть машинка, которая РНК, и которая заточена на производство левовращающих белков и самое себя. И значит такие левовращающие белки будут и образовываться. В изначально стохастической ситуации развивается неустойчивость и начинает превалировать один канал воспроизводства, то есть имеем несимметричное воспроизводство. И в конце концов вы получаете, что все белки у вас левовращающие. Эта система не уравновешена, а в неуравновешенной системе тот, кто первый встал, того и тапки. Вот, пожалуйста.

 

Автор вопроса: Я имел в виду те вещества, которые получают растительные организмы.

Свойства хиральности для неорганики, оно в принципе тоже возможно, но самое главное это именно органика. Органика причем живая органика. Там, где есть системы самоорганизации. Системы самоорганизации избирательны в том плане, что они всегда отбирают то, что им подходит, а что не подходит – нет. Это главное. Но начальный выбор происходит, по-видимому, случайным образом. Это мы такие левые оказались. Может быть, где-то там инопланетянин или инопланетянка будут правой хиральности, и как с ними взаимодействовать не знаю.

Вернуться назад

Архив статей

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source