Недостающее звено: в газовом облаке зафиксировали крупное серосодержащее соединение

Сера входит в число ключевых элементов, необходимых для возникновения и поддержания известных нам форм жизни. Она участвует в формировании аминокислот и каталитических центров ферментов.

Фото: Александр Рощин is licensed under Pravda.Ru

Сера в космосе

Новая форма серы в космосе

Однако в астрофизике сера долгое время оставалась источником серьезного противоречия: данные о ее содержании в газовой фазе плотных молекулярных облаков существенно ниже расчетных космических значений.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, описывает обнаружение 2,5-циклогексадиен-1-тиона в молекулярном облаке рядом с центром Млечного Пути.

Это меняет представление о том, в каких формах сера существует в космосе, и как сложные органические соединения попадают на формирующиеся планеты.

Проблема "дефицита" серы и химическая эволюция

В астрофизике существует понятие "космической распространенности элементов", основанное на анализе состава Солнца и других звезд. Для серы этот показатель достаточно высок. В разреженных межзвездных облаках наблюдаемое количество атомов серы совпадает с расчетным. Но ситуация резко меняется при переходе к плотным газопылевым облакам — местам, где зарождаются новые звезды. Здесь концентрация серы в газовой фазе оказывается в 10-100 раз ниже ожидаемой.

Ранее ученые выдвигали две основные гипотезы.

Первая предполагала, что сера оседает на поверхности ледяных оболочек космической пыли и остается там в твердом состоянии, становясь невидимой для радиотелескопов.

Вторая гипотеза заключалась в том, что сера входит в состав крупных молекул, спектральные характеристики которых нам неизвестны.

До сих пор самыми сложными серосодержащими соединениями в космосе считались простые структуры, такие как этилмеркаптан или диметилсульфид, содержащие не более девяти атомов.

Обнаружение 2,5-циклогексадиен-1-тиона, состоящего из 13 атомов, подтверждает вторую гипотезу. Это соединение представляет собой шестичленное углеродное кольцо, в котором один атом водорода замещен серой. Это первая молекула такого типа, зафиксированная в газовой фазе межзвездного пространства. Ее наличие указывает на существование сложной и эффективной органической химии серы в экстремальных условиях космоса.

Лабораторный этап: создание спектрального эталона

Идентификация молекулы на расстоянии тысяч световых лет невозможна без предварительной работы на Земле. Каждое химическое соединение обладает уникальным набором вращательных переходов. Когда молекула вращается в пространстве, она поглощает или испускает электромагнитное излучение на строго определенных частотах. Совокупность этих частот образует спектр, который ученые используют для поиска конкретных веществ в радиодиапазоне.

Сложность заключалась в том, что 2,5-циклогексадиен-1-тион является нестабильным изомером тиофенола. В обычных земных условиях он быстро трансформируется в более устойчивые формы. Чтобы получить его спектр, исследователи из Института внеземной физики Общества Макса Планка применили метод микроволновой спектроскопии с использованием фурье-преобразования.

В лабораторной установке пары тиофенола подвергались высоковольтному электрическому разряду внутри сверхзвуковой струи инертного газа.

В результате этого процесса молекулы распадались и перестраивались, образуя высокореактивные формы, включая искомую структуру. Ученые зафиксировали 92 спектральные линии для 2,5-циклогексадиен-1-тиона и еще 75 линий для его близкого родственника — 2,4-циклогексадиен-1-тиона.

Эти данные позволили создать эталонную базу частот с точностью до нескольких килогерц, что является необходимым условием для последующих астрономических наблюдений.

Поиск в центре Галактики: объект G+0.693-0.027

Объектом для исследования стало молекулярное облако G+0.693-0.027, расположенное в созвездии Стрельца, вблизи центра нашей Галактики. Это место известно своей экстремальной химической активностью. Облако подвергается воздействию ударных волн, возникающих при столкновении гигантских масс газа.

Эти столкновения высвобождают энергию, достаточную для того, чтобы сложные молекулы десорбировались (отрывались) с поверхности космической пыли и переходили в газообразное состояние.

Для наблюдений ученые использовали два крупнейших радиотелескопа Европы: 40-метровую антенну обсерватории Йебес в Испании и 30-метровый телескоп IRAM во Франции. Анализ полученных данных подтвердил наличие 22 характерных спектральных линий, которые невозможно приписать никаким другим известным веществам.

Важной характеристикой 2,5-циклогексадиен-1-тиона оказался его высокий дипольный момент. Это физическая величина, описывающая асимметрию распределения электрического заряда внутри молекулы. Чем выше дипольный момент, тем интенсивнее спектральные линии, которые испускает вещество при вращении.

Именно эта особенность позволила обнаружить молекулу даже при ее относительно низкой концентрации: на каждые 100 миллиардов молекул водорода в облаке приходится лишь около четырех молекул 2,5-циклогексадиен-1-тиона.

Роль изомеров и термодинамика процесса

Одной из интересных деталей открытия стало соотношение между различными формами соединений с одинаковым атомным составом (изомерами). Помимо 2,5-циклогексадиен-1-тиона, ученые искали его более стабильный изомер — тиофенол. Несмотря на то что тиофенол термодинамически более устойчив, в облаке G+0.693 его обнаружить не удалось.

Это указывает на то, что формирование молекул в межзвездном пространстве происходит не в состоянии теплового равновесия. Химические процессы в таких условиях определяются кинетикой — скоростью конкретных реакций, часто протекающих на поверхности льда под воздействием космических лучей или ультрафиолетового излучения.

Тот факт, что менее стабильная форма молекулы оказалась более распространенной, заставляет пересмотреть модели формирования органики в протозвездных облаках.

Значение для астробиологии и планетологии

Результаты исследования устанавливают прямую связь между химией глубокого космоса и составом малых тел Солнечной системы. Ранее циклические серосодержащие соединения находили только в составе углистых хондритов (древнейших метеоритов) и в образцах с астероида Рюгу.

Теперь доказано, что эти структуры синтезируются задолго до появления планет, еще на стадии существования холодного молекулярного облака.

Это открытие важно по нескольким причинам:

Инвентаризация серы. Обнаружение циклической сероорганики показывает, где именно может находиться "недостающая" сера. Если значительная часть этого элемента заблокирована в крупных органических кольцах, это объясняет его отсутствие в виде простых газов.

Пребиотическая значимость. Сера в составе шестичленных циклов является активным участником химических реакций. Такие молекулы могут служить промежуточными звеньями при синтезе более сложных биологических макромолекул.

Универсальность процессов. Поскольку подобные молекулярные облака существуют по всей Вселенной, можно сделать вывод, что химические предпосылки для возникновения жизни не являются уникальной особенностью Солнечной системы.

Перспективы будущих открытий

Обнаружение 2,5-циклогексадиен-1-тиона — это только начало масштабной работы по картографированию серосодержащей органики. Ученые предполагают, что в межзвездном пространстве скрывается целое семейство родственных соединений, таких как тиофен и бензотиофен.

Их поиск станет возможным благодаря новым мощным инструментам, включая строящийся массив радиотелескопов SKA (Square Kilometre Array) и инфракрасные возможности космического телескопа "Джеймс Уэбб".

Анализ спектров в инфракрасном диапазоне особенно перспективен, так как он позволяет фиксировать колебания связей между углеродом и серой внутри пылевых частиц. Это даст возможность проследить путь молекул от их зарождения на поверхности космической пыли до выброса в газ и последующего включения в состав комет и метеоритов.

Таким образом, астрофизики приближаются к пониманию того, как элементарные атомы серы, рожденные в недрах звезд, проходят сложный путь химической эволюции и в конечном итоге становятся частью живой материи.