Одна из особенностей астрономии заключается в том, что у нас нет
возможности проводить организованные эксперименты. С одной стороны,
эксперименты проводит природа, и в таком случае их организация не
ложится на наши плечи мы можем только наблюдать за тем, как они
проходят и какой результат дают. С другой стороны, проверить наши
предположения о процессах, протекающих в космосе, довольно трудно,
поскольку в космосе мы имеем дело с диапазоном физических условий,
которые на Земле не встречаются и в лаборатории не
воспроизводятся.Анализ молекулярных спектровМожет показаться, что
на самом деле в лаборатории астроному делать нечего и он должен
только сидеть возле телескопа и смотреть в небо, однако это не
совсем так. Значимой стала роль лабораторной астрофизики и
астрохимии, потому что есть вопросы, ответить на которые можно
только в лаборатории. Это особенно важно для астрохимии, поскольку
именно в химии встречается множество неизвестных параметров и
величин, оценить которые из наблюдений мы никак не можем, только в
эксперименте.Начать можно с самого простого вопроса: с какими
именно молекулами нам приходится иметь дело в космосе? У нас нет
возможности сделать непосредственный анализ, мы можем только
наблюдать, измерять спектры и в них находить определенные
спектральные линии во всех диапазонах оптическом, ультрафиолетовом,
инфракрасном, радиодиапазоне. Затем, если известно, каким молекулам
принадлежат эти линии, можно сказать, что если мы видим линию
молекулы оксида углерода (CO), значит, эта молекула где-то в
космосе есть. С простыми молекулами, которые распространены на
Земле и хорошо исследованы, это срабатывает хорошо. Но в космосе
можно встретить молекулы, которых на Земле нет. И здесь возникают
проблемы, потому что спектры таких молекул заранее не известны и их
нужно каким-то образом определить.Самый простой способ это сделать
измерить спектр молекулы в лаборатории, а потом сравнить его с тем,
что мы наблюдаем в космосе. Звучит просто, но сама задача
нетривиальная, поскольку далеко не всегда известно, спектр какой
именно молекулы нас интересует: химия в молекулярных космических
облаках довольно сильно отличается от химии, которая хорошо знакома
земным лабораториям.Отчасти это затрудняет и проведение
лабораторных астрохимических исследований, потому что в лаборатории
необходимо воссоздать условия открытого космоса: это и очень низкое
давление, соответствующее давлению космического пространства, и
очень низкая температура, которая может измеряться несколькими
кельвинами, что тоже довольно сложно организовать на Земле. Поэтому
для проведения лабораторных астрохимических исследований приходится
использовать специфическое оборудование, и одна из главных задач,
которую можно решать при помощи лабораторной астрохимии, состоит в
том, чтобы измерять спектры молекул, а потом сравнивать их с
наблюдаемыми.Почему же мы не можем эти спектры вычислить, обладая
знаниями о квантовой механике? На самом деле вычислениям поддается
далеко не все, и лабораторные возможности пока превосходят
вычислительные.Исследование химических реакцийВторая задача,
которая стоит перед лабораторной астрохимией, связана с химическими
процессами. Мы провели наблюдения, отождествили молекулы по их
спектральным линиям, и теперь необходимо выяснить, откуда эти
молекулы появились и как они эволюционируют. Молекулы в большом и
сложном объекте распределены по-разному. Чтобы понять, где в нем
находятся те или иные молекулы, нужно построить модель протекающих
там химических процессов. Параметры химических реакций, которые,
как мы предполагаем, происходят в молекулярных облаках, тоже редко
могут быть вычислены, и их приходится определять в лаборатории. Для
этого используют специфическое оборудование, благодаря которому
создаются условия очень низких температур и ультравысокого вакуума.
Задача и в этом случае крайне сложная.Тем не менее зачастую это
единственный способ определить скорость протекания химических
реакций, а также какие продукты в ходе них образуются. Здесь могут
возникнуть разного рода неожиданности. В качестве примера можно
привести такую популярную среди астрохимиков-наблюдателей молекулу,
как метанол (CH3OH), который обладает большим количеством линий в
разных диапазонах. Эту молекулу иногда называют швейцарским ножом
астрохимии, поскольку она позволяет очень много узнать о тех
объектах, в которых наблюдается. В лаборатории необходимо
определять параметры и линий метанола, и тех химических процессов,
в которых он образуется. Долгое время считалось, что реакции, в
которых образуется метанол, очень простые.Начинается все с реакции
между молекулярным ионом CH3+ и водой (H2O). Они объединяются,
превращаются в протонированный метанол молекулу метанола CH3OH, к
которой присоединен еще один протон (электрона при нем нет,
молекула имеет положительный заряд). Затем она может
рекомбинировать с одним из электронов, которые тоже встречаются в
межзвездной среде. Предполагалось, что в результате рекомбинации
электрон вместе с протоном отваливаются, превращаясь в атом
водорода, и остается метанол. В середине 2000-х годов эти реакции
были проверены в лаборатории. Благодаря этому стало ясно, что
предположения о синтезе метанола в межзвездной среде кардинально
неверны, потому что первая реакция оказалась очень медленной, а
вторая рекомбинация протонированного метанола с электроном привела
к другому результату: по какой-то причине молекула протонированного
метанола разваливается посередине, а не просто отбрасывает от себя
лишний протон. Необходимо было придумать другой путь синтеза
молекулы метанола.Сейчас считается, что метанол формируется наряду
со многими другими молекулами в химических процессах, происходящих
на поверхностях космических пылинок. Подобные реакции тоже являются
полем для лабораторных астрохимических исследований. Многие группы
занимаются моделированием этих процессов, и здесь возникает
множество разных неожиданностей: реакции идут не с теми скоростями,
которые предполагались; реакции идут другими путями, не теми,
которые опять же предполагались. Лабораторное исследование
оказывается ключом к информации, о наличии которой мы даже не
догадывались, и позволяет обнаружить определенные реакции, хотя мы
даже не знали, что они там возникают. Обнаруженные реакции можно
включать в астрохимические модели и исследовать их роль в
формировании молекулярного состава межзвездной
среды.Предполагается, что формирование метанола на пылинках
начинается с молекулы оксида углерода, которая примерзает к
поверхности пылинки, а затем последовательно цепляет к себе
несколько атомов водорода, превращаясь из CO сначала в HCO, потом в
молекулу формальдегида H2CO, затем в радикал CH2OH, и, наконец,
последний атом водорода превращает этот радикал в метанол. Скорости
этих процессов оказываются в лаборатории не такими, что были в
теоретических расчетах.Еще один процесс, который тоже очень важен,
это процесс, переводящий продукты реакций на поверхностях пылинок в
газовую фазу. Тот же метанол мы наблюдаем в газовой фазе и очень
редко имеем возможность изучать его на поверхностях пылинок. Это
означает, что пылинки способны каким-то образом терять то вещество,
которое образуется на их поверхностях, происходит десорбция. В
холодных, темных участках межзвездной среды пылинки покрыты
ледяными мантиями. В состав этих мантий входят молекулы воды,
аммиака, молекулы CO, углекислого газа, метанола. Все это как-то
там живет. В мантиях происходят химические процессы, обогащающие их
молекулярный состав. Но в конечном итоге это должно вернуться в
газ, потому что только там мы имеем возможность эти молекулы
наблюдать.Процесс десорбцииЕще одно поле для исследований в
астрохимических лабораториях процессы десорбции, разрушения ледяных
мантий под воздействием температуры, частиц высоких энергий,
ультрафиолетовых фотонов. Здесь тоже существует большое количество
параметров, которые могут быть определены только в лаборатории,
поскольку не всегда понятно, какой именно численный эксперимент
нужно поставить. В лаборатории есть возможность исследовать большое
количество различных вариантов. Например, как испаряется молекула,
если мантия состоит только из конкретной молекулы, как испаряется
смесь различных молекул. С каждым веществом можно связать
определенную температуру испарения. Скажем, известно, при какой
температуре испаряется сухой лед, при помощи которого раньше
охлаждали мороженое. Однако оказывается, что если молекулу CO2
(сухой лед) смешать с другой молекулой, например H2O, то
температура, при которой начнет разрушаться лед, будет уже другой.
Это проще всего измерить именно при помощи лабораторных
экспериментов.При сегодняшнем развитии лабораторной астрохимии еще
есть куда двигаться. Пока мы довольно плохо умеем воспроизводить
условия межзвездной среды. А кроме того, есть еще один фактор, с
которым в астрохимических и других лабораториях бороться достаточно
сложно, время. Процессы, которые моделируются в лабораторных
условиях, протекают значительно быстрее, чем процессы в космосе: мы
не можем себе позволить эксперимент, идущий несколько сотен тысяч
лет. Это накладывает определенные ограничения на результаты
моделирования.Мы смоделировали пылинку, взяли некую подложку,
напылили на нее лед (это может быть чистый лед или смесь льдов
различных молекул), а потом подложку разогревают и смотрят, в какой
последовательности и с какой скоростью молекулы испаряются. Все это
происходит на протяжении нескольких часов, потому что эксперимент
хочется завершить при жизни и написать о нем статью. При этом
всегда есть сомнения, так ли протекает тот же процесс, если
разогрев длится не несколько часов, а несколько тысяч, десятков
тысяч или сотен тысяч лет. К сожалению, временное ограничение мы
никогда преодолеть не сможем, поэтому приходится довольствоваться
тем, что мы имеем в текущих условиях.
