Ученые нашли путь образования углеводородов в самых холодных облаках Вселенной

Химик Александр Мебель из Университета Флориды вместе с коллегой Ральфом Кайзером из Гавайского университета в Маноа выяснил, что сложные углеродные молекулы, которые считаются предшественниками жизни, могут образовываться в космосе при температурах, близких к абсолютному нулю, без какого-либо нагрева. Исследование, опубликованное в журнале The Journal of Physical Chemistry A, предлагает новый взгляд на то, как в холодных и темных облаках между звездами рождаются молекулы, способные в будущем стать частью молодых планет.

Долгое время ученые были уверены, что для сборки сложных углеродных соединений в космосе обязательно нужны высокие температуры. На Земле такие молекулы действительно чаще всего возникают в огне, при горении. Поэтому, когда в прошлом году в холодном и темном молекулярном облаке Тельца-1, где температура держится около минус 264 градусов по Цельсию, нашли фенален (C₁₃H₁₀) — довольно крупную углеродную молекулу, это стало загадкой. Облако Тельца-1 интересно тем, что именно в таких местах гравитация постепенно стягивает газ и пыль, зажигая новые звезды и формируя будущие планеты. И если сложные молекулы там уже есть, значит, они могут стать частью строительного материала для этих миров.

Исследователи решили проверить, может ли фенален собираться без нагрева. Они построили компьютерную модель и нашли цепочку химических реакций, которые идут сами по себе, без внешнего тепла. В этой цепочке участвует молекула 1-винилнафталина (C₁₀H₇C₂H₃) и радикал метилидин (CH). Их встреча запускает последовательность превращений, в которой к ароматическому каркасу постепенно присоединяется новое кольцо.

В итоге получается фенален — молекула из семейства полициклических ароматических углеводородов, или ПАУ. Эти соединения астрономы считают одними из главных хранителей углерода в космосе, но до сих пор находить их по отдельности было трудно. Теперь у ученых есть не только находка, но и объяснение, как такое соединение могло возникнуть в ледяной тьме.

Фенален не одинок. Тот же механизм, названный MACA (Methylidyne Addition-Cyclization-Aromatization), ранее уже показал, что может собирать инден (C₉H₈), молекулу поменьше, которую тоже обнаружили в облаке Тельца-1. Разница лишь в том, какое кольцо присоединяется к бензольному основанию: пятичленное или шестичленное. Это значит, что перед нами не единичный случай, а общий путь, по которому в космосе могут расти разнообразные ароматические молекулы. И все это происходит без барьера, то есть реакции не нужно преодолевать энергетический порог, и с выделением энергии, что особенно важно в условиях холода.

Дополнительные подсказки ученые нашли гораздо ближе к Земле. ПАУ были обнаружены в образцах, собранных с астероидов и доставленных на нашу планету. Некоторые из этих молекул, судя по всему, сформировались в очень холодных условиях. А значит, цепочка может быть длиннее, чем казалось.

Мельчайшие частицы космической пыли, по словам ученых, работают как своего рода молекулярные фабрики: на их поверхности простые вещества соединяются в более сложные органические молекулы. Эти молекулы могут попадать в ловушку астероидов, а затем вместе с ударами метеоритов переноситься на молодые планеты. Так химия, начавшаяся в темном облаке задолго до появления Земли, способна доставить на формирующиеся миры те самые строительные блоки, из которых потом может сложиться жизнь.

Разумеется, фенален сам по себе жизнь не создает. Но изучение того, как подобные ему молекулы собираются в космическом пространстве, помогает проследить весь путь углерода, от простых соединений к звездам, планетам и все более сложной химии, которая в конечном счете делает возможным существование миров, похожих на наш.

В результате исследования ученые показали, что фенален может образовываться в холодных молекулярных облаках без нагрева, через последовательность реакций с участием радикала метилидина. Этот механизм не требует преодоления энергетического барьера и выделяет энергию, а значит, сложная углеродная химия способна запускаться еще до рождения звезд и планет. Работа расширяет представления о том, как в космосе возникают ароматические молекулы и как они могут попадать на молодые планеты, становясь частью их химического наследия.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях