Фуллерены в космосе

П. Елизарьев
«Химия и жизнь» №12, 2015

Дующие из центральной звезды ветры раздвигают границы молекулярного облака, создавая туманность Шлем Тора. Фото: ESO, B. Baileul

Свет — уникальный инструмент в руках ученых. С одной стороны, излучение объекта позволяет оценить его химический состав. С другой — когда свет проходит сквозь смесь газов, его характеристики изменяются. Это дает возможность определить, что за молекулы встретились на пути излучения. Для астрономов анализ излучения далеких объектов — единственная возможность сделать вывод об их составе. Однако не только о нем: межзвездная среда поглощает часть света, и по этому поглощению можно узнать, из чего она состоит.

Многие области поглощения межзвездной среды очень узкие, в спектре они выглядят как линии. Именно таковы обычно пики поглощения конкретных молекул. Эти области были названы диффузными межзвездными линиями поглощения — «диффузные» означает, что они распространены повсеместно в излучении космических объектов. Спектр межзвездного вещества необычен: линии поглощения излучения зачастую оказываются совсем не там, где ожидают астрохимики. И все же порой им удается расшифровать, какой молекуле принадлежит та или иная линия.

В конце 2015 года группе швейцарских и немецких исследователей во главе с Джоном Майером из Базельского университета (Nature, 2015, 7560, 322–323; DOI:10.1038/nature14566) удалось окончательно доказать присутствие в межзвездном пространстве положительно заряженного фуллерена С₆₀⁺. Примечательно, что для этого сами ученые не измеряли спектры звезд. Они решили давнюю загадку о космических фуллеренах в условиях земной лаборатории.

Загадка линий

Спектроскопия космического пространства знает немало успехов. В оболочках звезд идентифицировано множество различных соединений, в том числе органических. Среди них метан, ацетилен, аммиак и более сложные молекулы. Однако их спектры поглощения не соотносятся с диффузными межзвездными линиями. Поскольку напрямую в космосе проанализировать состав межзвездного вещества невозможно, ученые, чтобы его определить, занимаются моделированием на Земле.

Для различных молекул или частиц пыли можно предсказать спектры их поглощения. Исходя из этих предсказаний, именно молекулы, а не пыль кажутся наиболее вероятной причиной диффузных линий поглощения. Следующий этап исследования — синтез молекул с предсказанным спектром в лаборатории и их экспериментальный анализ. Теперь, если спектр в лаборатории совпадет с космическим спектром, — соединение найдено. Здесь главная трудность заключается в том, что спектры поглощения веществ сильно зависят от температуры и окружающей среды. Воспроизвести в лаборатории близкую к абсолютному нулю температуру космического пространства и его высокую разреженность трудно.

С тех пор как в 1922 году диффузные линии поглощения были обнаружены, предложено несколько гипотез об их источнике. Теоретические предсказания вывели на первый план соединения углерода — длинные углеводородные цепочки, полициклические ароматические углеводороды и их ионы. Разная заряженность этих молекул может обеспечивать сложную картину пиков поглощения в спектре. Но что, если в космосе находятся молекулы, структура которых нам пока неизвестна?

Примеры молекул (а), из которых построена структура фуллерена (б)

В 1985 году была открыта молекула фуллерена С₆₀ — выпуклый многогранник, в вершинах которого расположены атомы углерода, всего 60 штук. Несложно заметить, что эту молекулу легко разделить на секции из полициклических ароматических углеводородов (которые мы только что упоминали). В многогранниках различных фуллеренов может быть и 50, и 70, и 540 атомов углерода. Фуллерен С₆₀ наиболее устойчив. Эти молекулы были впервые обнаружены в саже, образующейся при сжигании графита, и сразу привлекли большое внимание. Несмотря на свою сложность, они стабильны и с высоким выходом образуются при горении углерода. Не могут ли они распространяться в космосе в результате горения звезд с большим содержанием углерода?

Линия фуллерена

История поиска фуллеренов в космосе похожа на детектив. Основные линии поглощения фуллерена С₆₀ лежат в видимой области спектра. Они не совпадают с диффузными межзвездными линиями поглощения. Кроме того, исследования в этой области всегда были осложнены тем, что измерения проводились на Земле, зачастую не на чистых фуллеренах, а на их растворах в органических растворителях и при комнатной температуре. Поэтому для сопоставления спектров фуллерена на Земле и в космосе ученые были вынуждены постоянно проводить соответствующие переводы. Впрочем, эти поправки результата не дали. Спектры фуллерена С₇₀ тоже не удалось обнаружить. Достаточно ли этого, чтобы закрыть вопрос и искать другие молекулы-кандидаты? Нет!

Звездочками отмечены линии поглощения С₆₀⁺

У фуллерена С₆₀ низкий потенциал ионизации, и поэтому большинство этих молекул могут находиться в положительно заряженной форме С₆₀⁺. Спектры поглощения такого иона отличаются от спектров нейтральной молекулы. Со временем космические поиски сконцентрировались на фуллерене С₆₀⁺. Для этого иона в экспериментах на Земле были обнаружены две четкие линии поглощения в инфракрасном диапазоне. Это область спектра, которую трудно изучать с Земли, так как значительные помехи вносит водяной пар земной атмосферы. Тем не менее были предприняты дополнительные попытки точных измерений спектров многих звезд в инфракрасном диапазоне. И наконец две линии поглощения фуллерена С₆₀⁺ были обнаружены. Две из нескольких сотен диффузных линий нашли свое вещество-носитель. Это произошло в 1994 году.

Тщательность — залог успеха

Однако история с фуллереном в космосе не была закончена. Дело в том, что обнаруженные линии поглощения в космическом излучении очень походили на линии поглощения фуллерена, но, строго говоря, это были не они. Значения совпадали только при поправках на метод, которым фуллерен исследовали на Земле: спектры фуллерена в лаборатории снимали с молекул, находящихся в твердой фазе.

Теперь же, в 2015 году, в лаборатории Джона Майера анализировались ионы фуллерена С₆₀⁺ в газовой фазе, при температуре 5,8 К. Полученные спектры в инфракрасной области точно совпадают с двумя диффузными межзвездными линиями и без поправок. Новый метод окончательно ответил на вопрос: фуллерены в космосе есть. По оценкам ученых, в этой форме может существовать до 0,9% космического углерода. Это не так плохо с учетом того, что об остальных межзвездных молекулах у нас пока имеются только гипотезы.

Предполагается два основных источника космических фуллеренов. Тяжелые звезды, заканчивая свое существование, сбрасывают оболочку в окружающий космос. Таким образом, в пространство поступает большое количество углерода, который под воздействием космического излучения и температуры может превращаться в фуллерены. Могут они также образовываться и в открытом космическом пространстве, посредством постепенного наращивания углеродных цепочек с образованием полициклических ароматических углеводородов, которые собираются в сферические структуры.

Какие еще неизвестные молекулы может нести межзвездное пространство? Фуллерены были открыты сравнительно недавно, и нельзя исключать, что новые, еще не открытые формы углерода также найдутся в космосе. Интересный претендент — разные формы наноалмазов, о существовании которых в межзвездной среде поговаривают некоторые специалисты. История же с фуллеренами показывает, что космические молекулы, несмотря на разрушающее действие излучения в открытом космосе, могут иметь сложные многоатомные структуры.