Сахар между звёздами
#органика #космос #астрохимияВ межзвёздном пространстве обнаружили эритрулозу — органическое вещество, относящееся к простым сахарам. На Земле эта молекула встречается в некоторых фруктах и используется в косметике, например в средствах для автозагара. Теперь выяснилось, что она может существовать и в холодном молекулярном облаке вблизи центра нашей Галактики.
Наименование: 1,3,4-тригидроксибутан-2-он.
Брутто-формула: C₄H₈O₄.
Структурная формула: HOCH₂–CO–CH(OH)–CH₂OH.
Эритрулоза представляет собой кетозу — сахар, содержащий кетонную группу. Её близкими родственниками являются глюкоза и фруктоза, однако молекула эритрулозы немного меньше и состоит из четырёх атомов углерода. Само вещество бесцветное, хорошо растворяется в воде и имеет сладкий вкус.
Обнаружили эритрулозу не где-нибудь, а в молекулярном облаке G+0.693−0.027, расположенном в районе центра Млечного Пути примерно в 27 тысячах световых лет от Земли. Место это довольно интересное. Несмотря на низкую температуру и отсутствие звёздообразования, облако считается одним из самых богатых органическими веществами объектов нашей Галактики.
Конечно, никто не собирал межзвёздный сахар ложкой. Для его поиска использовали радиотелескопы Yebes диаметром 40 метров и IRAM диаметром 30 метров.
Молекулы постоянно вращаются. При изменении скорости вращения они поглощают или испускают радиоволны определённой частоты. Набор таких частот для каждого вещества уникален и напоминает штрихкод. Если лабораторный спектр совпадает с сигналами, пришедшими из космоса, можно определить, какая молекула находится в облаке.
С сахарами долгое время была проблема. Эти вещества разрушаются при нагревании, плохо испаряются и легко поглощают воду, поэтому получить их точные газофазные спектры было сложно. Ситуацию изменило сверхбыстрое лазерное испарение. После того как вращательный спектр эритрулозы измерили в лаборатории, её стало возможно искать в космосе.
Исследователи обнаружили 17 переходов эритрулозы, объединённых в 12 групп спектральных линий. Шесть из них практически не перекрывались сигналами других веществ. Вероятность того, что все эти линии случайно оказались на нужных частотах, составляет около 0,2%.
Моделирование спектральных линий дало температуру возбуждения вращательных уровней эритрулозы около 11,3 K. Это не прямое измерение температуры вещества или пыли, а параметр, описывающий распределение молекул по вращательным энергетическим уровням. Сама межзвёздная пыль в таких облаках имеет температуру порядка 20–30 K.
Несмотря на столь холодные условия, поверхность межзвёздных пылинок, покрытая льдом, может служить площадкой для химических реакций. Квантово-химические расчёты авторов показывают, что эритрулоза способна образовываться из гликолевого альдегида и этиленгликоля. Последовательное отщепление атомов водорода создаёт два радикальных фрагмента, содержащих по два атома углерода; после изменения спинового состояния они могут соединиться, образуя четырёхуглеродный сахар.
Предполагается, что эритрулоза образуется из двух более простых веществ — гликолевого альдегида и этиленгликоля. Под действием атомарного водорода они превращаются в радикалы, которые встречаются на поверхности ледяной пылинки и соединяются друг с другом. Из двух фрагментов, содержащих по два атома углерода, получается сахар с четырьмя атомами углерода.
Самое интересное, что более простые трёхуглеродные сахара — глицеральдегид и дигидроксиацетон — в этом облаке обнаружены не были. Эритрулозы там как минимум в 8–17 раз больше. Обычно с увеличением молекулы количество вещества в межзвёздной среде уменьшается, но в данном случае всё произошло наоборот.
Эритрулоза стала первым настоящим сахаром, найденным в межзвёздной среде. Обнаруженный ранее гликолевый альдегид часто называли простейшим космическим сахаром, однако формально он является гидроксиальдегидом и к полноценным сахарам не относится.
Также эритрулоза стала крупнейшей нециклической молекулой, обнаруженной в межзвёздном пространстве. В её составе 14 атомов, четыре из которых — кислород. Кроме того, это всего лишь вторая хиральная молекула, найденная между звёздами. Правда, определить, какого из двух зеркальных вариантов вещества там больше, с помощью этих наблюдений невозможно.
Наличие сахара в космосе не означает, что учёные нашли внеземную жизнь. Оно говорит о другом: достаточно сложные органические соединения могут появляться задолго до образования планет. Ледяные пылинки вместе с накопившимися на них веществами входят в состав комет и астероидов, а затем могут попадать на поверхность молодых планет.
Эритрулоза способна превращаться в другие сахара, в том числе в альдозы. Поэтому авторы исследования допускают, что подобные межзвёздные вещества могли пополнить запас органических молекул, доступных на ранней Земле. Могли — ещё не значит, что именно так и произошло. Но теперь мы точно знаем, что для получения сахара необязательно иметь малину, воду, растение и Солнце. Иногда достаточно ледяной пылинки, двух простых молекул и нескольких тысяч лет.