Дмитрий Вибе: Сажа и дёготь

Углерод не знает себе равных по количеству вариантов, в которых его можно лицезреть на Земле. Но одной только Землёй разнообразие углерода не ограничивается.

Углерод во Вселенной, по крайней мере в окрестностях Солнца, - четвёртый по распространённости элемент после водорода, гелия и кислорода. Неудивительно, что и значительная доля твёрдого вещества в космосе так или иначе связана с углеродом. Большая часть атомов этого элемента связана в молекулах СО, однако небольшой оставшейся толики хватает, чтобы сильно разнообразить межзвёздную химию.

Очень упрощённое представление о межзвёздном веществе, которое специалисты озвучивают, когда хотят, чтобы от них поскорее отвязались, выглядит так: газ с небольшой (примерно 1 процент по массе) примесью силикатной и графитовой пыли. Однако исследования последних десятилетий показывают, что на самом деле чёткой границы между газообразным и твёрдым ингредиентами может и не быть. Самая большая молекула, достоверно обнаруженная в межзвёздной среде, состоит из 13 атомов (HC₁₁N) и имеет длину 16 ангстрем (1.6 нм). Космические пылинки, хотя их для простоты и считают иногда одинаковыми шариками диаметром в тысячу ангстрем (десятую долю микрона), на самом деле имеют весьма различные размеры, начиная примерно с сотни ангстрем.

Интервал размеров от нескольких ангстрем до сотни также не пуст. Его населяют частицы, которые относятся то ли к очень большим молекулам, то ли к очень мелким пылинкам. Природа этих частиц пока окончательно не установлена, но достоверно известно, что это либо чистый углерод (например, мелкие графитовые частички), либо углеводороды. Первые признаки их существования были обнаружены ещё в середине 1970-х годов благодаря наблюдениям в инфракрасном диапазоне. Тогда оказалось, что на длинах волн порядка нескольких микрон межзвёздное вещество не просто светится, но излучает свет в нескольких довольно узких интервалах длин волн. Эти эмиссионные (то есть излучательные) полосы были слишком узки, чтобы их можно было как-то связать с обычным тепловым излучением больших пылинок, но, с другой стороны, слишком широки, чтобы считать их молекулярными спектральными линиями.

На какое-то время за этими полосами закрепилось название неидентифицированных инфракрасных полос (Unidentified Infrared Band, UIB), однако уже в середине 1980-х годов их связали с гигантскими молекулами, состоящими из различного количества соединённых между собой бензольных колечек, - полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). Именно в этом диапазоне (на длинах волн от трёх до примерно пятнадцати микрон) ПАУ светятся (флуоресцируют), если их облучить ультрафиолетовым светом.

Ароматическими эти молекулы называются недаром: многие из них обладают характерным запахом. За примером далеко ходить не надо: сам бензол, если верить учебникам, обладает сладковатым запахом (мне как-то не довелось проверить). Но вот простейшая молекула ПАУ, состоящая из двух колец бензола, называется "нафталин", и с ней наверняка встречаться приходится чаще, чем с бензолом.

Вообще на Земле молекулы ПАУ и родственные им соединения - не редкость. Они входят в состав нефти (и нефтепродуктов), дёгтя, сажи, образуются при горении практически любого углеродного топлива, например бензина.

На Земле с её богатой биологической и небиологической историей такое изобилие ароматических (и прочих) углеводородов вполне объяснимо. Но откуда они берутся в межзвёздном пространстве, практически в пустоте? Ведь концентрация частиц в плотных межзвёздных облаках существенно (на многие порядки) меньше, чем в лучших вакуумных камерах. Тем не менее молекул, точнее, макромолекул ПАУ (по несколько десятков атомов углерода в каждой), в космосе довольно много. В нашей Галактике в них связано несколько процентов вообще всех атомов углерода. Ещё примерно столько же связано, по-видимому, в более крупные частицы - кластеры, состоящие из нескольких "слипшихся" макромолекул ПАУ.

Сейчас основным поставщиком ароматических углеводородов в межзвёздную среду считаются старые звёзды-гиганты умеренных масс (несколько масс Солнца). В финале эволюции такая звезда сильно расширяется, в результате чего её атмосфера остывает, но сохраняет относительно высокую плотность - подходящие условия для образования ПАУ и сажи, о чём мы хорошо знаем по местным исследованиям, в частности по двигателям внутреннего сгорания. Правда, непосредственно увидеть излучение ПАУ в таких звёздах не удаётся: чтобы они светились, мало того, чтобы они были, нужно ещё посветить на них ультрафиолетом, а его-то как раз в спектрах старых звёзд и нет. Но инфракрасные полосы ПАУ хорошо видны на более позднем этапе, когда оболочку (постепенно превращающуюся в планетарную туманность) начинает подсвечивать УФ-излучение обнажившегося горячего ядра звезды (будущего белого карлика).

То есть с синтезом вроде как понимание есть. Дальше начинаются некоторые проблемы. Например, не совсем удаётся понять зависимость яркости свечения макромолекул ПАУ от интенсивности ультрафиолетовой засветки, точнее, наблюдаемое иногда отсутствие такой зависимости. Это может означать, что макромолекулы способны черпать энергию для высвечивания в ИК-диапазоне не только из внешнего излучения. Источником энергии могут быть, например, происходящие на "поверхностях" ПАУ химические реакции.

Нужно отметить, что химические реакции могут разогревать до свечения не только свободно летающие макромолекулы, но и оболочки из сложной органики на поверхностях обычных, "каменных" пылинок. Непосредственно мы такие оболочки мы наблюдать не можем, но видим следы их испарения, когда пылинки с органическими мантиями оказываются близко к горячей звезде. Вот тут-то в межзвёздном газе и появляются молекулы типа метанола, этанола, этиленгликоля и пр. Если это предположение верно, то считать инфракрасные полосы однозначным признаком наличия ПАУ уже нельзя.

Ещё одно "но" по отношению к ПАУ высказали совсем недавно (Nature, 3 ноября) Сан Квок и Ионг Жанг из Гонконгского университета. Они извлекли из архива Космического инфракрасного телескопа им. Спитцера многочисленные спектры, проанализировали их и предположили, что непонимание различных особенностей ИК-полос можно устранить, если предположить, что на самом деле мы имеем дело не с плоскими многоколечными ароматическими молекулами, а с наночастицами, состоящими из переплетения колец и углеродных цепочек.

Но в глобальном смысле это всё не так важно. Важно то, что Природа так или иначе справляется с синтезом очень сложных молекул и молекулярных кластеров и эти молекулы и кластеры способны выживать, а то и укрупняться, в весьма жёстких условиях: холод, ультрафиолет, космические лучи. Лишнее доказательство того, что "кирпичики" для возникновения жизни не должны были обязательно синтезироваться на Земле. Они вполне могли попадать на неё из межпланетного и даже межзвёздного пространства.