Когда-то космос был синонимом бескрайней пустоты. Считалось, что там нет ничего, кроме разделённых огромными расстояниями звёзд. Неудивительно, что словосочетание «химия космоса» для многих звучит как «горячий снег», «живой труп» или «правдивая ложь». Однако химические процессы в ­космосе — это не оксюморон, атомы и молекулы можно найти не только в звёздах и планетах.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №10(38). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Атомы и молекулы образуют газопылевые туманности, в самых плотных областях которых на один кубический сантиметр приходится тысяча атомов или молекул. И даже самые «пустые» участки космоса могут содержать десятки или единицы атомов или молекул, но уже на кубический метр. Для сравнения: один кубический метр воздуха при атмосферном давлении и температуре 25°С содержит порядка 2,5 × 10¹⁹ молекул.

В межзвёздном пространстве протекают уникальные химические процессы: огромные расстояния между молекулами и атомами позволяют им поглощать электромагнитное излучение (свет) и накапливать большие запасы энергии. При столкновении с другими «накачанными энергией» молекулами они преодолевают энергетический барьер и реагируют с образованием неожиданных продуктов. Воспроизвести такие процессы в лаборатории практически невозможно: даже если мы создадим в колбе разрежение, аналогичное космическому, и облучим содержимое колбы электромагнитными волнами, молекулы не смогут накопить «космическую» энергию, так как будут сталкиваться со стенками и терять её.

Но всё же как-то исследовать эти процессы нужно. Учёных интересует, какие вещества и каким образом формируются в межзвёздном пространстве. Зафиксировать эти вещества и исследовать традиционными методами нельзя. Их приходится изучать на расстоянии, анализируя электромагнитное излучение, которое регистрируют телескопы. Каждый атом химического элемента или молекула при нагревании (поглощении энергии) начинает резонировать на определённой частоте. В результате чего излучается свет. Этот поток электромагнитного излучения мы детектируем в виде характерных линий, которые и называем спектром частицы. 

Расположение линий и их интенсивность уникальны для каждого атома. Линии позволяют понять, что это за вещество; выяснить, в какой форме оно существует (пылинки из сотен компонентов или отдельной молекулы); оценить, горячее оно или холодное. Методы спектроскопии позволили установить, что космос буквально заполнен молекулами, даже на значительном удалении от звёзд. Легче всего обнаружить малые молекулы. Наиболее часто встречаются молекулы CO, H₂O и HCN. Их спектры относительно просты и хорошо изучены.

Сложнее обстоит дело с молекулами, состоящими более чем из трёх атомов. Чем больше в молекуле атомов, тем сложнее становятся спектры, постепенно превращаясь в мешанину из пересекающихся друг с другом линий, что, естественно, усложняет расшифровку. Особенно интересны пребиотические молекулы: аминокислоты, углеводы, азотистые основания. Обнаружение этих молекул в космосе может свидетельствовать о возможности формирования «молекул жизни» не только в условиях планет, расположенных в так называемой зоне обитания.

В 2009 году в межзвёздной среде была обнаружена простейшая аминокислота — глицин, а также цианометанимин, прекурсор азотистого основания аденина, и этанамин, из которого может образоваться глицин. Но не стоит думать, что эти биомолекулы могли стать материалом для строительства жизни на нашей планете. Хотя пребиотические и просто биологически активные молекулы и детектируются в межзвёздном пространстве, вероятность, что они могли добраться до Земли, крайне мала. Они легко разрушаются тем же излучением звёзд, благодаря которому появились, и слишком рассеяны по космосу.

На Землю падают и падали метео­риты, в которых находят аминокислоты, углеводы и азотистые основания. Предполагается, однако, что «органические пассажиры» метеоритов сформировались не в межзвёздных пространствах, а на поверхности пылинок, образующих газопылевые туманности. Изучение химических веществ в далёком космосе не сводится к поиску строительных блоков жизни. Космохимикам часто удаётся найти то, что до сих пор считается экзотикой в лаборатории, например фуллерены.

Результаты изучения химического со­с­тава планет, комет и прочих небесных тел могут быть неожиданными. Например, в 2015 году при исследовании газового хвоста кометы C/2014 Q2, также известной как комета Лавджоя, было обнаружено 21 органическое вещество, в том числе этиловый спирт. В пиковые периоды активности комета Лавджоя каждую секунду расстаётся с таким количеством этилового спирта, которое содержится в 500 бутылках вина.

Ещё одно интересное открытие из недавних: астрономы получили спектральные «отпечатки пальцев» переходных металлов в газообразном состоянии. Планета Kelt-9b разогрета настолько, что металлы испаряются до отдельных атомов, и в атмосфере горячего юпитера из созвездия Лебедя находят атомы и ионы железа и титана.

Это исследование — первый пример наблюдения газообразных металлов в атмосфере планеты. Поскольку температура кипения железа и титана составляет 2862°C и 3287°C соответственно, в атмо­сферах планет эти металлы обычно присутствуют в виде твёрдых частиц, и их нельзя обнаружить с помощью спектрометрии.