Im Nebel Pferdekopf erkannt, dass etwas seltsames. Dieser Nebel, so genannt, für Ihre жеребцовый Silhouette, ist ein langes, schmales Wolke aus Staub und Gas in 1500 Lichtjahre von der Erde, in dem ständig neue Sterne geboren werden. Es ist eines der bekanntesten Himmelskörper, und die Wissenschaftler sind gut untersucht. Im Jahr 2011 haben die Astronomen aus dem Institut für Millimeter Radioastronomie (IRAM) und andere Orte wieder zu Ihr gerichtet.
Mit der 30-Meter-Teleskop IRAM in der spanischen Sierra-Nevada, die Sie studierten, zwei Teile der Mähne des Pferdes in радиоспектре. Nein, Sie sammelten nicht Bild Конской Kopf; Sie Interessierte sich für die Spektrum — Sie Lesen das Licht, разбивающийся auf die Komponenten der Wellenlängen, die die Chemische Zusammensetzung der Nebel. Auf dem Bildschirm diese Daten ähnlich platzt кардиомонитора; jeder Peak zeigt, dass ein bestimmtes Molekül Nebel strahlte Licht einer bestimmten Wellenlänge.
Jedes Molekül im Universum bildet seine charakteristische Signatur auf der Grundlage der Bestimmungen der Protonen, Neutronen und Elektronen. Die meisten Signaturen, die auf den Daten Конской Kopf leicht erklärt herkömmlichen Chemikalien: Kohlenmonoxid, Formaldehyd, neutral Kohlenstoff. Aber es gab auch eine kleine unbekannte Linie auf 89,957 Gigahertz. Es war ein Geheimnis — Molekül, das eine völlig unbekannte Wissenschaft.
Sofort nach Erhalt dieser Daten, Evelyn Руэфф aus der Pariser Sternwarte und andere Chemiker in Ihr Team begann das voranbringen der Theorie zum Thema Moleküle, die eine Signal. Sie kamen zu dem Schluss, dass der unbekannte Typ muss es sich um eine lineare Molekül — Verbindung, in dem die Atome liegen in einer geraden Kette. Und nur eine bestimmte Art von linearen Moleküle produzieren konnte die spektrale Fingerabdruck, gesehen Chemikern. Nachdem er die Liste solcher Moleküle, stießen Sie auf C3H+, пропинилидиниум. Dieser molekulare Ion vorher noch nie gesehen. In der Tat, die er eigentlich nicht hätte geben dürfen. Und wenn es existiert, dann wäre äußerst instabil. Auf der Erde ist er fast sofort reagierte würde noch etwas und bildete würde der üblichen Form. Aber im Raum, wo der Druck geringer, und die Moleküle selten konfrontiert mit etwas, was man eine Verbindung, C3H+ kann durchaus vorhanden sein.
Руэфф und Ihre Kollegen untersuchten, ob der Nebel Pferdekopf enthalten die Tage, die Zutaten und die Bedingungen für die Bildung dieser Moleküle. Im Jahr 2012 veröffentlichten Sie die Arbeit in Astronomy & Astrophysics, in dem Sie zu dem Schluss, dass die Signatur entdeckt, wahrscheinlich, C3H+. «Ich war relativ sicher, sagt Руэфф. — Aber die mussten noch zwei oder drei Jahre, um alle davon zu überzeugen, dass wir das richtig verstehen».
Zunächst einige Skeptiker herausgefordert, dieses Fazit — wenn C3H+ niemand zuvor gesehen hat, Woher Sie wissen, dass dies die Art von Molekül? Das ausschlaggebende argument erschien im vergangenen Jahr, als die Wissenschaftler von der Universität Köln in Deutschland beschlossen, eine kurz C3H+ im Labor. Sie haben nicht nur bewiesen, dass das Molekül vorhanden ist, auch Sie haben die Wissenschaftler Messen, Spektrum — und es war das gleiche, das war in Конской Kopf. «Es war schön zu erkennen Molekül, deren Existenz wir bisher nicht zu denken, sagt Руэфф. — Wenn Sie können, kommen Sie zu diesem Schluss mit Logik, Sie sind ein echter detektiv».
Mit einer unklaren Molekül entschieden, aber es gibt noch viele solcher. Nebel Pferdekopf ist keine Ausnahme. Fast überall im Universum, schauen, wo die Astronomen — wenn, natürlich, schauen Sie genau hin, Sie sehen die unbestimmten spektrale Linien. Verbindungen, mit denen wir Menschen vertraut sind und die eine große Vielfalt an Materialien auf diesem Planeten, nur ein Teil der generierten dieser Natur. Am Ende, nach Jahrzehnten der Entwicklung von theoretischen Modellen und Methoden der Computer-Simulation, sowie Labor-Experimente für die Reproduktion von neuen Molekülen, астрохимики anfangen, die Namen der vielen so unsicher Linien.
Der leere Raum
Vor kurzem, in den 60er Jahren die meisten Wissenschaftler сомневалось, dass in den interstellaren Raum überhaupt existieren können Moleküle — Strahlung muss es so hart, dass er es nicht existieren etwas, was mehr ist-Atom oder ein paar freie Radikale. Im Jahr 1968 Physiker Charles Townes von der University of California in Berkeley beschlossen, in jedem Fall suchen Moleküle im Weltraum. «Ich hatte das Gefühl, dass die Mehrheit der Astronomen Berkeley fand meine Idee ein wenig диковатой», erinnerte sich Townes, der Nobelpreisträger, die im Jahr 2006. Aber Townes gab nicht auf und baute einen neuen Verstärker für die sechs Meter Antenne радиообсерватории Hat Creek in Kalifornien, das zeigte die Anwesenheit von Ammoniak in der cloud Sagittarius B2. «Wie einfach und wie schön! schrieb er. — Die Medien und die Wissenschaftler begannen, uns zu diskutieren».
In den folgenden Jahren die Astronomen fanden mehr als 200 Arten von Molekülen, die die Navigation in den Weltraum. Viele waren sehr Verschieden von denen, was wir gesehen haben, auf unserem Planeten. «In der Regel beschäftigen wir uns mit der Chemie auf der Grundlage von Bedingungen, die haben auf der Erde, sagt Ryan Fortenberry, астрохимик South University of Georgia. — Wenn wir uns Weg von diesem Paradigma, Chemische Stoffe zu erstellen, ohne Einschränkungen. Wenn Sie sich vorstellen, ein Molekül, egal, wie seltsam, es gibt eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass durch die unbegrenzte Zeit irgendwo am Rande der großen Kosmos erscheint».
Raum — im wahrsten Sinne anders Mittwoch. Die Temperatur kann viel, viel höher, als auf der Erde (Z. B. in der Atmosphäre des Sterns), und viel, viel niedriger (in einem relativ leeren interstellaren Raum). Genau, Luftdruck (hoch oder niedrig) unterscheidet sich vom irdischen. Also Moleküle, die sich im Weltraum, auf unserem Planeten können nicht angezeigt überhaupt — und wenn Sie werden, werden Sie besitzen eine hohe Aktivität. «Das Molekül kann, hängen seit Jahren im interstellaren Raum, bevor Sie konfrontiert mit einem anderen Molekül, sagt Timothy Lee, Astrophysik Ames Research Center der NASA. — Existieren kann der Bereich ohne Strahlung, so dass, wenn das Molekül auch nicht stabil, es dauert eine lange Zeit».
Diese Raum-Moleküle nach der Identifizierung könnten uns viel lehren. Einige von Ihnen vielleicht nützlich sein, wenn die Wissenschaftler in der Lage, neu zu erstellen, Sie im Labor und lernen, verwenden Sie die Eigenschaften. Andere Moleküle können helfen, die in der Erklärung der Herkunft der organischen Komponenten, die angesichts der Beginn des Lebens auf der Erde. Sie alle können auch die Grenzen unseres Wissens darüber, was überhaupt möglich ist chemisch in unserem Universum.
Teleskope, die alles verändern wird
In den letzten zehn Jahren, wenn es starke neue Teleskope, die fähig sind, zu erfassen, wird die spektrale Linien, die Suche nach fremden Moleküle beschleunigt. «Jetzt in der Tat tritt die Blüte астрохимии, sagt Susanne Видикус Weaver, die führende Gruppe астрохимиков an der Emory University. Die Daten, die jetzt verfügbar sind, deutlich verbessert, die für zehn Jahre. Altitude Observatory der NASA SOFIA (sich die stratosphärische Observatorium der Infrarot-Astronomie), die an Bord der Boeing 747SP, den Anfang zu beobachten, Infrarot-und Mikrowellen-Licht im Jahr 2010, und Herschel Space Observatory der europäischen Weltraumorganisation kam auf der Bahn im Jahr 2009 und beobachtet die gleichen Wellenlängen.
Und doch wirklich verändert die Regeln des Spiels ist Атакамский Teleskop ALMA, die Ansammlung von 66 радиоблюдец, Open im Jahr 2013. Auf einer Höhe von 5200 Metern auf der Hochebene Чахнантор, wie auf dem mars атакамской der Wüste, der ariden Ort in der Welt, ALMA-Antennen arbeiten gemeinsam, sammeln von Licht von Objekten im Weltraum. Unglaublich dunkel und transparentes Himmel, in dem praktisch nicht, Wolken, bieten Teleskop unvergleichliche Sensibilität und ermöglichen es, genau zu erfassen, die Wellenlängen von Infrarot bis zum Radio. ALMA schafft visuelle und spektrale Bild jedes Pixel seine Bilder, wodurch Zehntausende von Spektrallinien auf jeder Seite der beobachteten den Himmel. «Er überrascht und Aufregung zugleich, sagt Видикус Weaver. Diese Datensätze sind so enorm, dass wir oft senden die Wissenschaftler auf Flash-Laufwerken, damit Sie herunterladen». Der Datenstrom bietet eine fülle von neuen Spektrallinien, in denen umzugehen астрохимикам. Aber wie unsicher die Fingerabdrücke am Tatort, diese Linien sind nutzlos für die Wissenschaftler, bis Sie erkennen, welche Moleküle die Sie bilden.
Auf der Suche nach Zusammenhang
Um zu bestimmen, die Moleküle, die diese Linien, die Wissenschaftler können in zwei Richtungen gehen. Wie bei C3H+, астрохимики können beginnen mit der Theorie, mit der Wahrsagerei Spektrum, um zu versuchen zu erraten, welches Molekül verstecken kann. Die Methodik der Quantenchemie ab-initio – (ab-initio-Lateinisch und bedeutet «Anfang») ermöglicht es Wissenschaftlern, beginnen Sie mit sauberen Quantenmechanik — Theorie, die das Verhalten der subatomaren Teilchen — so berechnen Sie die Eigenschaften der Moleküle auf der Grundlage der Bewegung der Protonen, Neutronen und Elektronen in Atomen, deren Komponenten. Auf der Supercomputer laufen kann wiederkehrende Simulation Molekül, jedes mal leicht an die Struktur und die Anordnung der Teilchen, und beobachten Sie die Ergebnisse, um zu bestimmen, die optimale geometrie der Komponenten. «Mit der Quanten-Chemie, die wir nicht begrenzt ist, dass wir zu synthetisieren, sagt Fortenberry. — Wir begrenzt die Größe der Moleküle. Wir brauchen mehr Rechenleistung Kraft, um die Durchführung der Berechnungen».
Die Wissenschaftler können auch eine unwiderlegbare Beweise für die neuen Moleküle, indem Sie im Labor und direkt durch die Messung von deren spektrale Eigenschaften. Allgemeine Methode beginnt mit der Gaskammer, durch die übersprungen Strom. Ein Elektron in einem Gesicht Molekül Gas und zerstören Sie die chemischen verbindungen, die Schaffung von etwas neuem. Wissenschaftler unterstützen Gas bei sehr niedrigem Druck, so dass jede neue Chemische Substanz, die Chance zu Leben hat ein paar Momente, bevor Sie konfrontiert mit einem anderen Molekül und umgesetzt. Die Wissenschaftler dann Schimmern die Kamera Licht verschiedener Wellenlängen zu Messen Spektrum dessen, was sich im inneren befindet. «Können Sie sich in Position, wenn die produzierten im Labor die gleiche Molekül, dass es im Kosmos gibt, wissen aber nicht genau welche, sagt Michael McCarthy, Physiker an der Harvard-Smithsonian астрофизического Zentrum. — Also Sie müssen versuchen, die Elementare Zusammensetzung der aus der Kombination von verschiedenen Labor-Experimente mit verschiedenen mustern».
Im Jahr 2006 McCarthy und seine Kollegen haben der negativ geladenen Molekül C6H – und verändert das Spektrum. Kurz danach entdeckten Sie die gleiche spektrale Fingerabdruck im interstellaren molekularen Wolke Kalb 430 Lichtjahre von hier. Die bisherigen Suche negativ geladenen Teilchen in den Weltraum zu nichts geführt, so dass viele Wissenschaftler bezweifelten, dass es Sie gibt, die in signifikanten Mengen. «Dies führte uns zu vielen Entdeckungen, mit denen wir konnten erkennen Moleküle im Labor, und nach und im Raum», sagt McCarthy. Das Team seitdem hatte C6H – in vielen, mehr als ein Dutzend, die kosmischen Quellen.
In den 1980er Jahren, in der Sie versuchen, eine neue Chemische Substanz, die Wissenschaftler erzeugten Molekül аргония (36ArH+), eine seltsame Verbindung, die nicht auf der Erde, einschließlich der Wasserstoff mit eigentlich dem Edelgas Argon gefüllt. Im Jahr 2013 haben die Astronomen fanden аргоний im Raum, zuerst in der Krebsnebel, und später in einer Fernen Galaxie mit Hilfe von Beobachtungen ALMA. Verbindungen auf Basis von Gasen gebildet werden nur unter sehr spezifischen Umständen; die Wissenschaftler denken, dass der Raum in hochenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung — konfrontiert mit Argon und klopfen ihm die Elektronen, so dass eine Verbindung mit Wasserstoff. Aus diesem Grund, wenn Wissenschaftler sehen аргоний in irgendeinem Bereich des Kosmos, Sie glauben, dass dieser Bereich von kosmischen Strahlen. «Es ist eine spezifische Anzeige von bestimmten Bedingungen, eine sehr wichtige Sache im Raum», sagt Holger Müller von der Universität Köln.
Die Welt der neuen Moleküle
Viele von Molekülen, die sich in den Sternen und туманностях, extrem seltsam. Fragen, wie Sie Aussehen oder was anfühlt, nutzlos, denn auch wenn Sie Sie in die Hand nehmen, Sie sofort reagieren. Wenn Sie in der Lage, mit Ihnen in Kontakt, Sie fast sicher als giftig und krebserregend. Wie seltsamerweise ist, die Wissenschaftler haben eine grobe Vorstellung davon, wie die riechen einige fremde Moleküle: viele von Ihnen gehören zu der Klasse der aromatischen verbindungen, Benzol-Derivate, die ursprünglich teilten Titel mit starken Gerüchen.
Einige der neuen verbindungen zeigen eine erstaunliche Atomare Strukturen und teilen Ladung zwischen den Atomen auf seltsame Weise. Manchmal sind Sie in Frage zu stellen die moderne Theorie der molekularen Bindungen. Ein Aktuelles Beispiel — Molekül SiCSi, die im Jahr 2015 in einem sterbenden Stern, bestehend aus zwei Atomen Silikon und einem Kohlenstoffatom, die miteinander verbunden sind unerwartete Weise. Das Ergebnis ist so eine seltsame Molekül, das eine spektrale Signatur, als diejenigen, vorherzusagen, was die gewöhnliche theoretische Modelle.
Raum-Moleküle können uns helfen, die Antwort auf eine der grundlegenden Fragen des Universums: wie begann das Leben? Wissenschaftler wissen nicht, wo Sie ursprünglich entstanden sind Aminosäuren, die Bausteine des Lebens auf der Erde oder im Weltraum (und nach wurden, sind auf unserem Planeten, Kometen und Meteoriten). Die Antwort auf diese Frage kann auch sagen, wie viele der Aminosäuren im Universum und könnten Sie theoretisch säen Leben auf unzähligen anderen Exoplaneten. Астрохимики schon bemerkt Anzeichen für die Anwesenheit von Aminosäuren im Raum, und auch die Verbindung der Moleküle, die Ihnen zugrunde liegen.
Endlich ist es möglich, einige seltene Arten können sich als nützlich erweisen, wenn Sie können Sie erstellen, die in großer Anzahl und in der Lage zu halten kontrollierten Bedingungen. «Die große Hoffnung астрохимии — Moleküle zu finden, die haben völlig neuen Eigenschaften, die wir anwenden können, um die Lösung irdischer Probleme», sagt Fortenberry.
Ein gutes Beispiel — Moleküle «Buckyballs». Diese große Versammlung 60 Kohlenstoffatomen zum ersten mal wurden im Labor 1985 (und brachten den Nobelpreis). Fast zehn Jahre später Astronomen gesehen spektrale Linien im interstellaren Gas, die genau wies auf die positiv geladene Version von fullerenen, und dieser Zusammenhang bestätigt sich im Juli, wenn die Wissenschaftler verglichen die Ihre Signaturen mit einem Spektrum von fullerenen, die haben in космосоподобных Bedingungen im Labor. Später Fullerene waren nicht einfach seltsam und Raumfahrt-ein Geschenk des Himmels, sondern ganz anständig praktische Werkzeug für die Nanotechnologie, die hilfreich für die Stärkung der Materialien, die Verbesserung der Solarzellen und auch in der Pharmazie.
Noch астрохимики noch плескаются im flachen Wasser der riesigen Meer von Molekülen irgendwo da draußen im all. Ihre Funde erinnern uns daran, dass unsere eigene Ecke im Raum relativ klein, unbedeutend, nicht aufschlussreich, nur ein Beispiel für die Möglichkeiten. Vielleicht diejenigen Moleküle, die wir auf der Erde sind eigentlich exotischen und C3H+, Fullerene und andere noch unbekannte Moleküle — die übliche ökumenische Material.