Что такое астрохимия? Какого рода исследованиями она занимается? Какие здесь возможны открытия? Какое отношение к «химии звёзд»
имеет Д. И. Менделеев и его Периодический закон? Этими вопросами самое время задаться в День космонавтики, отмечаемый 12 апреля. А ответит нам на них Андрей Владиславович СТОЛЯРОВ, заведующий кафедрой лазерной химии химического факультета МГУ, доктор физикоматематических наук.
– Несмотря на то что Вы работаете на химическом факультете, Вы доктор физмат наук. Почему?
– Я физик и химик одновременно. У меня кандидатская диссертация была защищена по химическим наукам, учился и всю жизнь работал я здесь, на химфаке. В этом смысле это одна из специфик, которую я вношу в астрохимию: подавляющее большинство людей, которые занимаются этой мультидисциплинарной наукой, пришли из физики и астрономии, а с химией знакомы очень мало.
– У вас кафедра лазерной химии. Что это такое?
– Образовалась она 30 с лишним лет назад, в конце 1980-х годов. Организовывал её в то время декан химического факультета, профессор Юрий Яковлевич Кузяков. Тогда были большие надежды на то, что с помощью лазера можно будет управлять химическими реакциями: делать их более селективными, целенаправленными, с хорошим выходом целевого продукта.
– Не получилось?
– Нет, к сожалению. Но другие направления, например, атомно-молекулярная лазерная спектроскопия в газовой фазе, оказались очень востребованы при изучении строения изолированных атомов и молекул. Этот метод очень хорош, он вытеснил остальные спектральные методы анализа. И это основная причина, почему я занялся астрохимией: информация о любой материи из космоса у нас поступает исключительно путём спектрального анализа электромагнитного излучения. А мы как раз и занимаемся молекулярной спектроскопией, это наша основная специальность. Никакие другие аналитические методы, к которым мы привыкли на Земле, например, масс-спектрометрия, хромато-масс-спектрометрия, рентгеноструктурный анализ,– не реализуются при анализе удалённых космических объектов.
– Астрохимия – достаточно молодая область исследований, и кафедра ваша появилась на химфаке последней…
– Это так. Увлечение моё астрохимией началось почти случайно. В 2010 году физфак решил возродить курс общей и физической химии для своих студентов. Но на физическом факультете есть астрономическое отделение – астрономов там набирают специальной группой. Есть институт ГАИШ, который их курирует. Они сказали, что «обычная» химия им не очень интересна, так как в 99 процентах случаев она не реализуется в космосе. Им нужна химия, которая имеет хоть какое-то реальное отношение к космосу. Профессор Вадим Вадимович Ерёмин – это один из ведущих лекторов курса химии на физическом факультете – порекомендовал меня, зная, что я занимаюсь спектроскопией (о существовании астрохимии я тогда даже не подозревал). Но я предполагал, что именно астрономам надо рассказывать. В кабинете у академика Анатолия Михайловича Черепащука, тогда директора ГАИШа, я познакомился с Дмитрием Зигфридовичем Вибе, узнал, что он занимается астрохимией, и с 2011 года мы совместно с ним читаем курсы МФК «Астрохимия – молекулы во Вселенной». Это межфакультетские курсы для студентов «не-химиков». Довольно успешно читаем – приходят биологи, геологи, филологи, юристы, социологи. Это общеобразовательный курс по выбору, который пользуется большим спросом.
– Что важного удалось понять в этой области?
– Я понял, что это слишком специфическая наука, и людей, которые ею смогут заниматься, всегда будет очень мало. Во-первых, она абсолютно мультидисциплинарная: нужно знать астрономию, физику, причём молекулярную, астрофизику, химию…
– А биологию?
– Может быть, и биологию, но, на мой взгляд, это пока в большей степени неоднозначная история – искать жизнь в космосе. Мы пока даже точно не знаем, как возникла жизнь на Земле. Искать что-то там, о чём мы вообще не имеем никакого представления, это слишком абстрактный подход, поэтому к астробиологии на данном этапе лично я отношусь довольно скептически. Хотя «предбиологические» молекулы, аминокислоты там ищут и даже находят.
– Почему химики неохотно идут в астрохимию?
– У традиционной химии и астрохимии совершенно разное целеполагание. Основная задача химии – синтез новых веществ и материалов, идеально – с нужными и заранее заданными свойствами. В астрохимии вообще не ставится такой цели и задачи. Там, в космосе, что есть, то и есть. Но недостаточно просто обнаружить какую-нибудь молекулу в космосе, необходимо понять механизм её образования в этих неземных условиях – это, очевидно, другой, наверное, более фундаментальный аспект исследования. Всё-таки химия – прикладная наука, в основном работа руками. А в астрохимии вообще ничего нельзя сделать своими руками, остаётся только пассивно наблюдать. Отсюда происходит само слово «обсерватория» – наблюдение. Иногда даже охватывает состояние полной безнадёжности. Очевидно, чтобы найти что-то стоящее, надо заранее знать, что именно ты хочешь найти, чтобы это реально увидеть.
– А что вы хотите увидеть?
– Химические соединения, молекулы, которые бы подтвердили предполагаемые нами механизмы образования и пути модификации вещества во Вселенной. Одна из задач астрохимии – понять, как химически эволюционируют астрономические компоненты Вселенной в течение времени.
– Удалось ли что-то понять?
– С моей точки зрения, пока это только зачатки понимания. Важно совместить химическую эволюцию объекта с физической. Физическая эволюция – как звёзды появляются, как планеты образуются. Более-менее это понятно, хотя астрономы и астрофизики скажут, что у них тоже не всё в порядке и не всё понятно, но мне кажется, что у них есть больше надёжной наблюдательной информации.
При этом неизбежно происходит и химическая эволюция вещества, составляющего основу наблюдаемых астрономических объектов, ведь звёзды и межзвёздная среда – это материя, где в силу значительных вариаций внешних физических условий в течение долгого времени могут происходить очень сильные химические изменения. Одновременное сочетание химической эволюции с физической – глобальная задача современной астрохимии, и она не решена на сегодняшний день. Делаются отдельные попытки изучить химическую эволюцию некоторых областей космического пространства, но чтобы это было неразрывно связано с физической эволюцией – мне кажется, такого ещё нет.
– Почему?
– Потому что это очень сложно. Сложно решить даже чисто физические уравнения движения, а накладывать на них дополнительно и химические реакции – отдельная задача, пока нерешаемая. А главное – у нас нет необходимой входной информации.
– Как же вы занимаетесь астрохимией, если нет информации?
– Нет полной информации, но всё-таки что-то уже известно. Астрохимию можно представить в виде трёх неразрывно связанных частей. Первая – наблюдательная: нужно регистрировать и отождествлять спектры, искать начальные, конечные ипромежуточные соединения всевозможных астрохимических реакций. Это само по себе очень непросто: в космосе совсем другие физические условия по сравнению с Землей, и это ещё одна из причин, почему трудно даются астрохимические исследования. К сожалению, наш земной химический опыт почти нерелевантен для открытого космоса. У нас большинство химических процессов происходит в жидкой фазе и в довольно узком интервале температур, а в космосе жидкости почти нет, и там либо очень холодно, либо очень жарко. Есть относительно немного твёрдой фазы, но в основном газообразная, причём сильно разреженная или в виде плазмы. Поэтому опыт осуществления обычных химических реакций – органических и неорганических – там никак не работает, и вещества, которые там образуются, на Земле часто вообще отсутствуют.
А в космосе они точно есть, так как мы регистрируем их спектры. Это очень активные с химической точки зрения частицы – радикалы и заряженные ионы (катионы и анионы). На Земле они тут же нейтрализуются и исчезают, вступая в химические реакции, а там им не с чем взаимодействовать, и они могут существовать продолжительное время, вполне достаточное для их спектральной регистрации. Их можно и нужно анализировать, пытаясь понять, как они устроены, но раз их нет на Земле, нам не с чем сравнивать их спектры. Поэтому одна из задач теоретической астрохимии – предсказывать спектры этих веществ.
– А вторая часть?
– Тоже теоретическая – это астрохимическое моделирование. Выписывание цепочек предполагаемых химических реакций на основании своего земного химического опыта – опять же не очень для этого подходящего. Если вы посмотрите в существующие сейчас базы данных химических реакций, которые ориентированы на астрохимию, то увидите, что там подавляющее большинство данных – это чисто расчётные значения. Но у теории есть очень большие проблемы, потому что пока она мало что может описать с приемлемой точностью.
Третья часть астрохимии развивается, но с большим трудом. Это – экспериментальная, лабораторная астрохимия. Есть научные группы, которые пытаются воссоздать космические условия в лаборатории. Мы тоже настойчиво пытаемся, но в ответ справедливо слышим очень много критики, что эти условия мало релевантны, и в этом часто действительно много правды.
– А как вы пытаетесь?
– В последнее время мы занимаемся лабораторным моделированием спектров ярких метеоров, наблюдаемых в земной атмосфере. Точнее, экспериментальным воспроизведением процессов термической абляции метеоритного вещества, которое сопровождается спонтанным излучением плазмы, образующейся при вхождении метеора в плотные слои атмосферы планет. Эти астрономические события и тем более их наблюдение – всегда единичное явление, очень трудно получить реальные физико-химические параметры этого очень быстро протекающего процесса в природных условиях, поэтому и возникла идея попробовать смоделировать этот источник излучения в стационарных лабораторных условиях.
У нас для этой работы был приспособлен целый спектральный комплекс, в состав которого входят три различных типа лазера, самодельная вакуумная камера (мы называем ее «кастрюлей»), спектрометр, ПЗС-приёмник и т.д.
Идея предельно проста: использовать энергию достаточно мощного импульсного излучения для лазерно-индуцированного испарения исследуемого вещества, например, кусочка метеорита и/или отдельно его основных химических компонент (в основном оксидов металлов). Таким образом, мы пытаемся симулировать излучение метеоров, которое затем детально анализируем в отдельных частях образующейся лабораторной плазмы. С помощью вакуумной камеры мы пытаемся воспроизводить процесс абляции метеорита при разных внешних давлениях – словом, стараемся воспроизвести давление и состав земной атмосферы на различных высотах, насколько это вообще возможно.
– Но ведь воспроизвести космические условия на Земле практически невозможно?
– Безусловно. Для этого нужен очень глубокий вакуум, а это очень дорого и почти недостижимо. Крайне высокие температуры, что возможно, но тоже непросто. Ещё одна нерешаемая задача: в силу того, что у нас масштаб времени космологический, нужно прослеживать реакции в течение этого времени – миллион, а то и миллиард лет. Нужно учитывать реакции, которые текут крайне медленно, то есть в наших, земных условиях, они фактически не идут.
– Получается, ваша наука бесперспективна?
– Я бы сказал, что она крайне сложна для осознания благодаря очень высокой степени своей абстракции и неоднозначности. Астрономия – вообще наука абстрактная. Но при этом полётные космические исследования совершаются с невероятным успехом. В этом чудо и гениальность. Базируясь на почти полной абстракции, люди делают вещи, которые реально работают.
– В школе нас учили, что космос – это одна большая пустота, там ничего нет. Прошло время, и там стали искать даже альтернативные формы жизни. Не нашли – зато выяснили, что там есть сложные органические молекулы.
– Да, там нашли довольно сложные молекулы. При этом спектральные методы анализа – единственные, которые у нас есть, но и они принципиально ограничены. Есть предел по сложности однозначного отнесения экспериментального спектра. Если молекула многоатомная, у неё бывает настолько сложный спектр, что её нельзя отличить от другой, и спектр теряет свою уникальность. Поэтому, если мы говорим про большие молекулы, довольно быстро наступает предел, когда мы не можем однозначно ничего сказать об источнике поглощения или испускания, у них очень сложные для отнесения спектры.
Успокаивает такая мысль: то, что мы их не видим, не значит, что их там нет. Они могут существовать довольно короткий промежуток времени, а потом внезапно исчезнуть, вступив в какую-нибудь химическую реакцию. Но вместе с тем есть множество космических спектров, которые до сих пор не отождествлены, тогда совершенно непонятно, что светит. Это значит, мы совсем не понимаем, что там происходит.
– Как же быть?
– Нужны другие методы. Условия там настолько разнятся, что может существовать что-то для нас сегодня невообразимое. Я считаю, что основная проблема – в самом человеке, в его ментальности. Мы настолько привыкли к своему окружению, что не можем даже представить, какие условия там могут быть. Нужно себя трансформировать в те условия, чтобы понять это.
– Как можно себя трансформировать?
– Нужно соответствующее образование – к сожалению, только специфических профессиональных знаний очевидно не хватает. Мы, конечно, пытаемся, но уже со школьной скамьи дети часто приходят с определёнными догмами и очень устойчивыми стереотипами мышления. К нам на астрохимию часто приходят именно девушки, их заметно больше, чем мальчиков. Я задумался, почему. Возможно, они бессознательно смешивают алхимию с астрохимией и астрологию с астрономией. Это сочетание притягивает – это не скучная наука, а что-то таинственное и потустороннее.
– Но ведь и правда, астрохимия – очень таинственная наука.
– Это да. Но одного таинственного притяжения мало – нужны знания и навыки. Мы кафедра не базовая, к нам приходят обычно на четвёртом курсе, когда студенты уже прошли общеобразовательные курсы: органику, аналитику, неорганику, физхимию. Они как специалисты уже вроде как полностью подготовленные, но у нас вынуждены использовать свои знания совершенно с другой стороны. Например, можно придумывать цепочки экзотических с точки зрения «обычной» химии астрохимических реакций, но потом нужно доказать, что видели не только предполагаемые прекурсоры и продукты, но и промежуточные вещества. На это направлена наблюдательная астрохимия. Мы только поставляем свои предложения о возможных, на наш взгляд, химических реакциях и спектральных свойствах соединений, а те, кто наблюдают и моделируют, проверяют, соответствует это действительности или нет. Такое сочетание – это реальная наука, но очень умозрительная.
– Есть две основные теории происхождения жизни: одна – жизнь занесена из космоса, её в основном отстаивает академик Розанов; вторая, и её представляет, в частности, академик Галимов, – жизнь сформировалась в недрах нашей планеты. У Вас какая точка зрения?
– Я склоняюсь к тому, что жизнь как форма существования белковых тел у нас на Земле совершенно уникальна. Доказать я это не могу, но полагаю так: если бы она не была уникальной, мы бы уже кого-то нашли, либо нас бы кто-то нашёл из «братьев по разуму».
– Бактерии тоже уникальны?
– Я думаю, что и бактерии уникальны. Даже неживая материя на Земле – штука в большой степени уникальная. Опять же, у меня нет никаких доказательств, почему именно так, но до сих пор ничего похожего не было обнаружено. Я слышал лекции академика Розанова и отношусь к нему уважительно, но не вижу реальной доказательной базы «принесения» жизни из космоса. То, что он показывает на фотографиях в виде микросоединений, биологи, насколько мне известно, не признают. Я считаю, что могут быть разные формы жизни, включая сложные предбиологические соединения. Но условия на каждой планете достаточно уникальны. Причём уникальна не просто планета как таковая – условия на ней принципиально изменяются с течением времени. Мы мало что знаем – а сколько ещё мы не знаем и даже не догадываемся? Я рассматриваю человеческую жизнь и её возникновение почти как чудо. Во многом это касается и происхождения простейшей белковой жизни на Земле. Каким образом неживое органическое вещество превратилось в живую материю – этот путь науке тоже не до конца известен. Мы сильно продвинемся в понимании межгалактической жизни, когда поймём, как она образовалась у нас.
– А мы поймём?
– Наверное, поймём, если будем стараться. Но не уверен, что нам это действительно надо. Как только мы поймём, то сможем её клонировать и модифицировать. И вот тут начинаются разные опасные соблазны. Честно говоря, я гоню эти мысли, думая, что это слишком сложно, чтобы быть правдой. Возможно, эта «гиперсложность» жизненного процесса предохраняет нас от гибели.
– Сейчас большие деньги во всём мире выделяются на поиски экзопланет. Есть надежда, что там будет найдена жизнь. Как думаете – получится?
– Думаю, что во многом это спекуляция. Ведь по тем же самым спектрам, о которых я уже говорил, мы отождествляем молекулы, которые есть в нашей атмосфере, или похожие, и пытаемся моделировать физико-химические условия в атмосфере экзопланет. Открыты уже тысячи экзопланет, и это людей вдохновляет.
Телескоп «Доктор Веб» стоил сумасшедших денег, и одна из главных целей его миссии – поиск экзопланет. Их ищут и реально находят – другое дело, что там нет физико-химических условий, аналогичных нашим. Но почему они должны быть такими же?
– Обидно, что ничего «живого» не находится?
– Мне не обидно. Поясню на примере, почему. Среди физиков распространена идея, которая идёт ещё от Эйнштейна. Он считал, что должна существовать единая физическая теория, которая позволит объединить все известные в природе взаимодействия, – Физика Всего. Одно из удивительных следствий этой теории – то, что безразмерные мировые константы, типа отношения массы протона к массе электрона или параметра тонкой структуры, на самом деле никакие не константы. Они во времени менялись, но только в космологическом масштабе, потому что сильно менялись условия существования материи – были дикие всплески энергии и массы или ещё что-то, чего мы не заем. И в силу того, что сильно менялись условия, эти «константы» также могли измениться вместе с этими условиями.
– А скорость света?
– Нет, это считается константой, это святое. Но что интересно: казалось бы, эта теория – полная абстракция, кто и как это проверит? Но были обнаружены квазары – источники сильного излучения, которые образовались в ранней Вселенной, и мы получаем от них свет, который прошёл через вещество, когда оно только образовалось после Большого Взрыва. Теперь мы можем сравнить земной спектр известных атомов и молекул с их «старым» спектром, который образовался в те далёкие времена. Если он изменился, значит, это связано с константами, потому что атомы и молекулы остались теми же. До сих пор на этот поиск были направлены большие усилия. Я этим тоже занимаюсь уже в течение 20 лет. За это время точность оценок постоянно улучшалась, но всё меньше надежды на то, что предполагаемая вариация действительно имела место.
Этот, казалось бы, негативный вывод тем не менее никого особенно не расстраивает, хотя следствия теории вроде бы экспериментально и не подтверждаются. Учёные нашли себе правдоподобное утешение: мы наблюдаем сейчас что-то усреднённое, а этот эффект мог происходить скачками. Фактически сегодняшние отрицательные наблюдения не доказывают, но и не опровергают выводы теории. То, что вы этого не видите, не значит, что этого нет. Что касается приложений– для реализации этой идеи на Земле создали уникальный лазер, с помощью которого на несколько порядков улучшили точность спектральных измерений в ультрафиолетовой области, появилась новая прецизионная регистрирующая аппаратура. Под эту идею были выделены деньги, люди сделали большую работу – и экспериментальную, и теоретическую. И я думаю, что это не худший способ траты денег налогоплательщиков. Параллель с поисками жизни – мы пока не находим, но это не значит, что её нет. Надо это продолжать делать. К тому же люди попутно делают много других полезных вещей, которые способствуют общему прогрессу.
– Как Вы думаете, почему мы так хотим найти жизнь на других планетах?
– Я бы сказал так: мне кажется, что мы существа слишком любопытные, поэтому хотим найти что-то ещё. Нам мало нас самих. Что хотим найти? Дай бог, что-то лучшее, или доказать, что мы – лучшие.
– В этом году исполнилось 190 лет со дня рождения Дмитрия Ивановича Менделеева, на факультете повсюду, на стенах и в кабинетах, – его знаменитая периодическая таблица. Но у Вас в кабинете вижу ещё «астрохимическую таблицу Менделеева». Что это такое?
– «Таблица Менделеева для астрохимиков», о которой вы упомянули, действительно используется в нашей науке. Это не совсем таблица, а одномерный график распространённости химических элементов в космическом пространстве в зависимости от их заряда. Из этого графика, например, следует, что водород и гелий – самые распространённые элементы. Долгое время считалось, что они занимают практически всё космическое пространство. Отчасти на этом было основано утверждение, что никакой жизни в открытом космосе нет и быть не может. Но оказалось, что следующими по распространённости элементами являются углерод, кислород и азот. В сочетании с водородом – это основные строительные блоки органических молекул. Поэтому там органики не может не быть.
– В космосе есть даже кислород?
– Его там много, миллиарды тонн, так же, как и молекул воды. Они просто рассеяны в пространстве. А Дмитрий Иванович, как выяснилось, ошибся в том, что периодичность свойств химических элементов зависит от их массы. Его закон с точки зрения современной физики неверен. Но он хорошо работает с точки зрения экспериментальной химии. Фактически он открыл другой закон: что заряд атома связан с его массой. Потом это было подтверждено ядерщиками. Однако даже из неправильных физических посылов – а правильных до открытия квантовой механики и не было – он сумел сделать правильные выводы. Это оригинальное наблюдение и желание найти общую закономерность в, казалось бы, частных вещах – его великая заслуга. Он действительно гениален, и этого стремления и умения находить общее в частном не хватает нашей науке. Может быть, и в астрохимии когда-нибудь удастся сделать такого уровня обобщения.
– То, что вы находите в космосе сложные молекулы, подчиняется законам периодической системы?
– В космосе находят тяжёлые элементы, и именно в этом смысле работает периодический закон. Не так давно я на астрохимической почве стал общаться с ядерщиками. Они интересуются сверхтяжёлыми элементами из так называемого «острова стабильности». У них есть идея, что в космосе можно попробовать найти продукты распада этих сверхтяжёлых элементов. Именно в космосе, потому что там есть условия, в которых они могли образоваться и выжить.
Что ещё интересно: есть так называемый «железный пик» на астрохимической таблице, когда распространённость элементов сначала монотонно падает по мере роста заряда ядра, а потом имеет максимум на уровне атома железа, который объясняется термодинамикой термоядерных реакций. Просто на этих переходных элементах периодической таблицы заканчиваются самопроизвольные экзотермические реакции в типичных звёздах. Для синтеза более тяжёлых элементов нужна уже внешняя дополнительная энергия.
– А катализ там тоже происходит?
– В земной химии переходные металлы – одни из наиболее популярных и эффективных катализаторов. Поэтому, безусловно, в космосе постоянно происходит гетерогенный катализ. Я абсолютно уверен, что главная химия в космосе – каталитическая.
И ещё интересный момент: сейчас предполагается, что в космосе много пыли. Это микронного размера частицы и очень большие макромолекулы, которые состоят в основном из полиароматических углеводородов, полиаморфного углерода и силикатов. Они в силу своей малости и развитой поверхности – идеальные катализаторы. А ещё на их поверхности, по-видимому, есть вкрапления атомов переходных металлов и их оксидов – это то, чем занимаются многие химики-каталитики на Земле.
– Вот бы это использовать!
– Именно! Более того, наличие этих космических пылинок позволяет синтезировать на них сложные органические молекулы, которые, как известно, очень неустойчивы к ультрафиолету. Находясь на поверхности в адсорбированном состоянии, они не разрушаются, потому что эффективно передают свою избыточную внутреннюю энергию колебаниям кристаллической решётки пылинки, нагревая её поверхность. Таким образом молекулы образовались – и сидят там, как в домике, пока не десорбировались. Основной фокус астрохимических исследований – это гетерогенный катализ на поверхности космической пыли. Исходя из нашего земного опыта, почти все химические реакции, которые могли бы происходить в газовой фазе, вроде бы уже учтены, но, вполне вероятно, это не совсем так.
– Почему это может быть не так?
– Мы регулярно регистрируем космические спектры, которые не можем полностью расшифровать. Однозначное отнесение неотождествлённых спектров и установление механизмов их возникновения – реальный «челлендж» для астрохимической науки. Одно из реалистичных объяснений – то, что молекулы образуются на поверхности пыли и их очень плохо видно в адсорбированном состоянии. Молекула не излучает и никак себя не выдаёт. Только когда она десорбировалась и стала свободной, мы её можем увидеть. Поэтому можно предположить существование большого числа молекул, которых мы можем не видеть принципиально. Многое делается для преодоления этой проблемы, но до её окончательного решения пока очень далеко.
– Далеко, но не безнадежно?
– Безусловно. Я не призываю всё бросить и заниматься только этой задачей. Абсолютно нет. Но заниматься ей точно надо.
Источник: НИР №4, 2025
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА