З 30-метровим телескопом IRAM в іспанській Сьєрра-Неваді, вони вивчили дві частини гриви коня в радіоспектрі. Ні, вони збирали не зображення Конської Голови; їх цікавив спектр - вони зчитували світло, розбивається на складові його довжини хвиль, що розкривають хімічний склад туманності. На екрані ці дані схожі на сплески кардіомонітор; кожен пік показує, що певна молекула туманності випустила світло певної довжини хвилі.
Кожна молекула у Всесвіті утворює свою характерну сигнатуру на основі положення протонів, нейтронів і електронів в ній. Більшість сигнатур на даних Конської Голови легко пояснюються звичайними хімічними речовинами: окис вуглецю, формальдегід, нейтральний вуглець. Але була також невелика невідома лінія на 89,957 гігагерц. Це була таємниця - молекула, абсолютно невідома науці.
Відразу після отримання цих даних, Евелін Руефф з Паризької обсерваторії та інші хіміки в її команді почали висувати теорії на тему молекули, яка могла створити сигнал. Вони прийшли до висновку, що невідомий тип повинен бути лінійної молекулою - з'єднанням, в якому атоми розташовані в прямій ланцюга. І тільки певний тип лінійної молекули міг зробити спектральний відбиток, побачений хіміками. Пропрацювавши список таких молекул, вони натрапили на C3H +, пропінілідініум. Цей молекулярний іон раніше ніколи не бачили. По суті, він взагалі не повинен був існувати. А якби існував, то був би вкрай нестабільним. На Землі він практично моментально відреагував би з чимось ще і утворив би звичну форму. Але в космосі, де тиск низький, а молекули рідко стикаються з чимось, з чим можна утворити зв'язок, C3H + цілком може існувати.
Спочатку деякі скептики заперечували цей висновок - якщо C3H + ніхто не бачив раніше, звідки вони впевнені, що це та молекула? Вирішальний аргумент з'явився в минулому році, коли вчені з Університету Кельна в Німеччині вирішили створити ненадовго C3H + в лабораторії. Вони не тільки довели, що молекула існує, вони також дозволили вченим виміряти її спектр - і він виявився тим же, який був в Конської Голові. «Було приємно виявити молекулу, про існування якої ми раніше і не думали, - каже Руефф. - Коли ви можете прийти до такого висновку за допомогою логіки, ви справжній детектив ».
З одного незрозумілою молекулою визначилися, але залишилося ще багато таких. Туманність Кінська Голова не виняток. Майже всюди у Всесвіті, куди дивляться астрономи - якщо, звичайно, дивляться уважно, - вони бачать невизначені спектральні лінії. З'єднання, з якими ми, люди, знайомі і які створюють величезне різноманіття матеріалів на цій планеті, всього лише частина створеного цією природою. Зрештою, після десятиліть розробки теоретичних моделей і методик комп'ютерної симуляції, а також лабораторних експериментів з відтворення нових молекул, астрохімік починають давати імена багатьох таким невизначеним лініях.
порожній космос
У наступні роки астрономи виявили більше 200 типів молекул, що плавають в космосі. Багато сильно відрізнялися від тих, що ми бачили на нашій планеті. «Зазвичай ми займаємося хімією на основі умов, які маємо на Землі, - каже Райан Фортенберрі, астрохімік Південного університету Джорджії. - Коли ми відходимо від цієї парадигми, хімічні речовини можна створювати без обмежень. Якщо уявити молекулу, неважливо, наскільки дивну, є певна ймовірність, що через енну час де-небудь на задвірках неосяжного космосу вона з'явиться ».
Космос - в буквальному сенсі інша середу. Температури можуть бути набагато, набагато вище, ніж на Землі (наприклад, в атмосфері зірки), і набагато, набагато нижче (у відносно порожньому міжзоряному просторі). Точно так же, тиск (високий або низький) відрізняється від земного. Отже, молекули, які можуть утворюватися в космосі, на нашій планеті можуть не з'явитися взагалі ніколи - а якщо і з'являться, то будуть мати високу активність. «Молекула може роками бовтатися в міжзоряному просторі, перш ніж зіткнеться з іншою молекулою, - говорить Тімоті Лі, астрофізики Дослідницького центру Еймса в NASA. - Може існувати область без радіації, тому якщо молекула навіть не буде стабільною, вона проіснує тривалий час ».
Ці космічні молекули після ідентифікації могли б багато чому нас навчити. Деякі з них, можливо, виявляться корисними, якщо вчені зможуть відтворити їх в лабораторії і навчаться використовувати їх властивості. Інші молекули можуть допомогти в поясненні походження органічних компонентів, які дали початок життя на Землі. Всі вони також можуть розширити межі наших знань про те, що взагалі можливо хімічно в нашому Всесвіті.
Телескопи, які все змінять
У пошуках зв'язку
Щоб визначити молекули, які відповідають цим лініям, вчені можуть піти двома шляхами. Як і у випадку з C3H +, астрохімік можуть почати з теорії, використовуючи ворожіння по спектру, щоб спробувати вгадати, яка молекула може ховатися під ним. Методика квантової хімії ab initio (ab initio на латині означає «з початку») дозволяє вченим починати з чистого квантової механіки - теорії, що описує поведінку субатомних частинок - щоб розрахувати властивості молекул на основі руху протонів, нейтронів і електронів в атомах, їх складових. На суперкомп'ютері можна запустити повторюється моделювання молекули, кожен раз злегка підлаштовуючи її структуру і розташування її частинок, і дивитися на результати, щоб визначити оптимальну геометрію складових. «З квантової хімією ми не обмежені в тому, що можемо синтезувати, - каже Фортенберрі. - Ми обмежені розміром молекул. Нам потрібно більше обчислювальної потужності, щоб проводити розрахунки ».
Світ нових молекул
Багато з молекул, які переховуються в зірках і туманностях, до крайності дивні. Запитувати, як вони будуть виглядати або якими будуть на дотик, марно, оскільки навіть якщо ви їх візьмете в руки, вони миттєво відреагують. Якщо вам все-таки вдасться встановити з ними контакт, вони майже напевно виявляться токсичними і канцерогенними. Як не дивно, вчені мають грубе уявлення про те, як будуть пахнути деякі чужі молекули: багато хто з них відносяться до класу ароматичних сполук, похідних бензолу, які спочатку ділили назви з сильними запахами.
Космічні молекули можуть допомогти нам відповісти на один з найбільш фундаментальних питань Всесвіту: як почалося життя? Вчені не знають, де спочатку виникли амінокислоти, будівельні блоки життя, на Землі або в космосі (і після були занесені на нашу планету кометами і метеоритами). Відповідь на це питання може також підказати, чи багато амінокислот у Всесвіті і чи могли вони теоретично посіяти життя на міріадах інших екзопланет. Астрохімік вже помітили ознаки наявності амінокислот в космосі, а також сполуки молекул, які лежать в їх основі.
Нарешті, можливо, деякі рідкісні види можуть виявитися корисними, якщо їх можна буде створити в досить великій кількості і вдасться підтримувати в контрольованих умовах. «Велика надія астрохімія - знайти молекули, які будуть мати зовсім новими властивостями і які ми зможемо застосувати для вирішення земних проблем», говорить Фортенберрі.
Поки що астрохімік все ще плескатися на мілководді величезного моря молекул десь там, в космосі. Їх знахідки нагадують нам, що наш власний куточок в космосі відносно малий - може бути незначним, що не показовим, лише прикладом можливостей. Можливо, ті молекули, які ми маємо на Землі, є насправді екзотичними, а C3H +, фулерени та інші поки невідомі молекули - звичайний вселенський матеріал.