Химический состав космических объектов поражает своим разнообразием: планеты, кометы, околозвёздные оболочки и гигантские газовые облака содержат сотни различных молекул. Понимание того, как эта химическая сложность возникает в ходе круговорота вещества между рождением и гибелью звёзд, остаётся одной из центральных задач астрохимии. В холодных облаках пыли и льда молекулы формируются, вступают в реакции и объединяются — именно так закладываются основы химии будущих планет.
Фосфор, в трёхвалентной форме связанный с анаэробными условиями Земли, обнаружен в атмосферах гигантских планет, в межзвёздной среде, в виде фосфатов в метеоритах и даже на спутнике Сатурна Энцеладе. Как именно фосфор перемещается между такими разными средами и становится незаменимым элементом земной жизни — ключевой вопрос современной науки.
Исследования фосфорсодержащих молекул в лабораторных условиях проводятся учёными Института физической химии Польской академии наук. Результаты их работы опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. В исследовательскую группу входят профессор Роберт Колош, доктор Арун-Либертсен Лозер, доктор Томас Кастер и аспирант Элавенил Ганесан, а также профессор Жан-Клод Гийемен из Высшей национальной школы химии в Ренне (Франция).
Для исследования космической химии применяются наземные и орбитальные телескопы, работающие в различных диапазонах электромагнитных волн. Космические аппараты исследуют тела Солнечной системы и за её пределами. Зафиксировать удаётся лишь те молекулы, которые выживают в экстремальных условиях межзвёздной среды или защищены плотными атмосферными слоями планет.
В химии межзвёздной среды особую роль играют ненасыщенные органические нитрилы, содержащие группу –CN. Примеры таких соединений: цианистый водород (HCN), цианометилен (HCCN), цианоацетилен (HCCCN), винилцианид (CH2CHCN). Эти молекулы обнаруживаются в основном радиотелескопами и служат предшественниками аминокислот и белков. Однако фосфор, по сравнению с азотом, встречается в нашей галактике примерно в 200 раз реже. К настоящему моменту в межзвёздной среде подтверждено лишь семь фосфорсодержащих соединений: CP, NCCP, CCP, HCP, PN, PO и PH3. Для сравнения, число известных азотсодержащих молекул превышает сотню. На Земле же фосфор встречается гораздо чаще, чем в космосе, и входит в состав нуклеотидов, фосфолипидов и нуклеиновых кислот, без которых невозможна жизнь.
Перед учёными стоят вопросы: какие ещё носители фосфора остаются невыявленными в межзвёздной среде? Как именно космические молекулы фосфора преобразуются в формы, встречающиеся на Земле? Какие спектральные признаки помогут обнаружить их в далёких уголках Вселенной? Как эти соединения концентрируются на планетах, подобных Земле?
В недавней работе польской и французской групп подробно исследована фотохимия фосфабутина (CH3CH2CP). Молекулу помещали в аргоновый лёд при температуре около 10 Кельвинов и облучали ультрафиолетом, наблюдая изомеризацию и потерю атомов водорода. В результате образовывались уникальные продукты: фосфабутадиин (HC3P) и винилфосфаэтин (H2CCHCP). Их азотные аналоги — цианоацетилен (HC3N) и винилцианид (H2CCHCN) — известны в межзвёздной среде уже давно.
HC3P и H2CCHCP чрезвычайно неустойчивы в обычных условиях, поэтому для их изучения применялась криогенная изоляция в аргоне при 10 Кельвинов. Это позволило провести инфракрасную спектроскопию и зафиксировать уникальные частоты колебаний молекул. Квантово-химические расчёты сопоставили эти частоты с конкретными соединениями. В ходе экспериментов были также идентифицированы экзотические изомеры фосфабутина, этинилфосфинидин (HCCP) и фосфаэтин (HCP).
Впервые инфракрасные спектры для HC3P и CH2CHCP были получены именно в этой работе — до этого существовали только микроволновые данные. Для HC3P определены пять характерных частот вибраций. Эти результаты открывают возможность удалённого обнаружения указанных молекул с помощью современных телескопов, таких как космический телескоп имени Джеймса Уэбба, способного фиксировать вещества в ничтожных концентрациях.
В ходе работы были выявлены спектральные признаки ранее слабо изученных или неизвестных фосфорсодержащих молекул, а также показано, как ультрафиолетовое излучение разрушает производные фосфора в ледяных матрицах, имитируя условия межзвёздной химии. Таким образом закладывается фундамент для понимания эволюции фосфора в космосе и выяснения его роли в происхождении жизни на Земле.
Изображение носит иллюстративный характер
Фосфор, в трёхвалентной форме связанный с анаэробными условиями Земли, обнаружен в атмосферах гигантских планет, в межзвёздной среде, в виде фосфатов в метеоритах и даже на спутнике Сатурна Энцеладе. Как именно фосфор перемещается между такими разными средами и становится незаменимым элементом земной жизни — ключевой вопрос современной науки.
Исследования фосфорсодержащих молекул в лабораторных условиях проводятся учёными Института физической химии Польской академии наук. Результаты их работы опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. В исследовательскую группу входят профессор Роберт Колош, доктор Арун-Либертсен Лозер, доктор Томас Кастер и аспирант Элавенил Ганесан, а также профессор Жан-Клод Гийемен из Высшей национальной школы химии в Ренне (Франция).
Для исследования космической химии применяются наземные и орбитальные телескопы, работающие в различных диапазонах электромагнитных волн. Космические аппараты исследуют тела Солнечной системы и за её пределами. Зафиксировать удаётся лишь те молекулы, которые выживают в экстремальных условиях межзвёздной среды или защищены плотными атмосферными слоями планет.
В химии межзвёздной среды особую роль играют ненасыщенные органические нитрилы, содержащие группу –CN. Примеры таких соединений: цианистый водород (HCN), цианометилен (HCCN), цианоацетилен (HCCCN), винилцианид (CH2CHCN). Эти молекулы обнаруживаются в основном радиотелескопами и служат предшественниками аминокислот и белков. Однако фосфор, по сравнению с азотом, встречается в нашей галактике примерно в 200 раз реже. К настоящему моменту в межзвёздной среде подтверждено лишь семь фосфорсодержащих соединений: CP, NCCP, CCP, HCP, PN, PO и PH3. Для сравнения, число известных азотсодержащих молекул превышает сотню. На Земле же фосфор встречается гораздо чаще, чем в космосе, и входит в состав нуклеотидов, фосфолипидов и нуклеиновых кислот, без которых невозможна жизнь.
Перед учёными стоят вопросы: какие ещё носители фосфора остаются невыявленными в межзвёздной среде? Как именно космические молекулы фосфора преобразуются в формы, встречающиеся на Земле? Какие спектральные признаки помогут обнаружить их в далёких уголках Вселенной? Как эти соединения концентрируются на планетах, подобных Земле?
В недавней работе польской и французской групп подробно исследована фотохимия фосфабутина (CH3CH2CP). Молекулу помещали в аргоновый лёд при температуре около 10 Кельвинов и облучали ультрафиолетом, наблюдая изомеризацию и потерю атомов водорода. В результате образовывались уникальные продукты: фосфабутадиин (HC3P) и винилфосфаэтин (H2CCHCP). Их азотные аналоги — цианоацетилен (HC3N) и винилцианид (H2CCHCN) — известны в межзвёздной среде уже давно.
HC3P и H2CCHCP чрезвычайно неустойчивы в обычных условиях, поэтому для их изучения применялась криогенная изоляция в аргоне при 10 Кельвинов. Это позволило провести инфракрасную спектроскопию и зафиксировать уникальные частоты колебаний молекул. Квантово-химические расчёты сопоставили эти частоты с конкретными соединениями. В ходе экспериментов были также идентифицированы экзотические изомеры фосфабутина, этинилфосфинидин (HCCP) и фосфаэтин (HCP).
Впервые инфракрасные спектры для HC3P и CH2CHCP были получены именно в этой работе — до этого существовали только микроволновые данные. Для HC3P определены пять характерных частот вибраций. Эти результаты открывают возможность удалённого обнаружения указанных молекул с помощью современных телескопов, таких как космический телескоп имени Джеймса Уэбба, способного фиксировать вещества в ничтожных концентрациях.
В ходе работы были выявлены спектральные признаки ранее слабо изученных или неизвестных фосфорсодержащих молекул, а также показано, как ультрафиолетовое излучение разрушает производные фосфора в ледяных матрицах, имитируя условия межзвёздной химии. Таким образом закладывается фундамент для понимания эволюции фосфора в космосе и выяснения его роли в происхождении жизни на Земле.
