В далёком от Земли пространстве, на просторах между звёздами, существует сокровищница углерода. Там, в том, что учёные называют «межзвёздной средой», можно найти широкий спектр органических молекул — от похожих на соты полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) до углеродных сфер, по форме напоминающих футбольные мячи.
В новом исследовании международная группа учёных под руководством специалистов из Университета Колорадо в Боулдере провела эксперименты на Земле, чтобы воссоздать химические процессы, происходящие в глубинах космоса. Результаты группы, возможно, раскрыли ключевые этапы процессов, формирующих эти органические молекулы с течением времени.
«Наши открытия могут раскрыть информацию о строительных блоках, из которых когда-то сформировалась Солнечная система Земли», — сказал Джорди Баувман, ведущий автор исследования. Миллиарды лет назад подобные облака материи конденсировались, образуя зародыши того, что впоследствии стало нашим Солнцем и планетами.
«Мы все состоим из углерода, поэтому очень важно знать, как углерод во Вселенной трансформируется на пути к включению в планетарную систему, подобную нашей Солнечной системе», — сказал Баувман, доцент кафедры химии и научный сотрудник Лаборатории атмосферной и космической физики (LASP) в CU Boulder.
Исследование, [опубликованное](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c08619) недавно в Journal of the American Chemical Society, проливает свет на формирование класса молекул, называемых фуллеренами.
Фуллерены и их происхождение
Фуллерены состоят из атомов углерода, организованных в форме замкнутой клетки. Самый известный пример — бакминстерфуллерен, или букибол, который получил своё название от известного футуриста Ричарда Бакминстера Фуллера. Эти молекулы включают 60 атомов углерода в форме сферы и поразительно напоминают футбольный мяч.
Фуллерены, включая букиболы, свободно плавают в межзвёздной среде. Но учёные долгое время пытались объяснить, откуда они берутся и как образуются.
Новое исследование предполагает, что радиация в космосе может способствовать преобразованию ПАУ в фуллерены. «Это даёт нам намёк на то, что букиболы, которые мы находим в космосе, могут быть связаны с этими большими ароматическими молекулами, которые также широко распространены», — сказал Баувман.
Группа смоделировала химические процессы в космосе, изучая две небольшие молекулы ПАУ — антрацен и фенантрен.
ПАУ состоят из атомов углерода, расположенных в виде серии шестиугольников, похожих на соты. Они распространены на Земле, где их можно найти в дыме, саже и других обугленных материалах. «Если вы слишком долго держите стейк на гриле, и он становится чёрным, то в нём содержатся ПАУ», — сказал Баувман. «Они являются неприятным побочным продуктом горения».
Сначала исследователи бомбардировали два ПАУ пучком электронов. Это похоже на то, что происходит, когда радиация в космосе взаимодействует с молекулами в межзвёздной среде.
Эта бомбардировка превратила ПАУ в новые заряженные органические молекулы. Затем исследователи ввели продукты в аппарат с ионной ловушкой в научном центре под названием Free Electron Lasers for Infrared eXperiments (FELIX).
Исследователи были удивлены, когда увидели результаты. Баувман объяснил, что, когда команда воздействовала на антрацен и фенантрен электронами, молекулы потеряли один или два своих атома водорода. В процессе они также радикально изменили свои структуры, подобно разборке замка из Lego и созданию новой структуры.
Вместо того чтобы состоять только из шестиугольников, полученные продукты теперь содержали атомы углерода, расположенные в форме как шестиугольников, так и пятиугольников. «Такая реакция никогда раньше не наблюдалась», — сказал Баувман.
Соавтор исследования Сандра Брюнкен, доцент в Радбудском университете и руководитель группы в FELIX, отметила, что результаты были поучительными, отчасти потому, что такие молекулы легко складываются. «Представьте себе футбольный мяч, который состоит из смеси шестиугольников и пятиугольников».
Таким образом, эти молекулы с пятиугольниками могут быть недостающим звеном для преобразования обычных ПАУ в бакминстерфуллерены и другие фуллерены.
Баувман и Брюнкен надеются, что астрофизики обратят внимание на их выводы. Учёные могут использовать результаты группы, чтобы увидеть, существуют ли подобные молекулы с пятиугольниками в глубинах космоса, с помощью таких инструментов, как космический телескоп Джеймса Уэбба — самый мощный из когда-либо запущенных.
Соавторами исследования из CU Boulder являются аспиранты LASP Мэдисон Пэтч и Рори Маклиш. Среди других соавторов — учёные из Радбудсского университета, Лейденского университета в Нидерландах, Университета Париж-Восток Кретей во Франции и Университета Мэриленда в Колледж-Парке.
Предоставлено [University of Colorado at Boulder](https://phys.org/partners/university-of-colorado-at-boulder/)