Одна из проблем астрономии состоит в том, что условия, типичные для астрономических объектов, практически невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. Тем не менее продвижения в этих исследованиях есть: организуются специализированные лаборатории, создаются установки, в составе Международного астрономического союза (IAU) с недавнего времени появилась комиссия B5 «Лабораторная астрофизика», а в апреле 2019 года прошел первый симпозиум IAU по лабораторной астрофизике. Забавно, что бо́льшая часть докладов на этом симпозиуме была посвящена лабораторной астрохимии, а исследователи, в чьих докладах не говорилось о молекулах, считали необходимым за это извиниться (в шутку, конечно). Неудивительно поэтому, что и новости из мира лабораторной астрофизики часто оказываются на поверку новостями лабораторной астрохимии. В октябре 2019 года было опубликовано две работы, касающиеся формирования молекул и пылинок в атмосферах проэволюционировавших звезд. Температуры, плотности и прочие условия в этих объектах таковы, что их можно относительно просто получить в лаборатории.
Оболочки звезд и дизель старого автобуса
Авторы первой статьи1 — Лидия Мартинес (Lidia Martínez), Гонсало Санторо (Gonzalo Santoro) и Пабло Мерино (Pablo Merino), сотрудники Мадридского института материаловедения, а также их коллеги из Испании и Франции — задались целью воспроизвести в лабораторных условиях формирование молекул полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в оболочках проэволюционировавших звезд.
Молекулы ПАУ представляют собой плоские структуры, выложенные из разного количества шестиугольных бензольных колец, отороченных по краям атомами водорода. Наименьшая из молекул ПАУ состоит из двух колец и представляет собой хорошо нам известный нафталин. В космосе молекулы ПАУ (или скорее какие-то частицы, содержащие их в качестве составного элемента) очень распространены, связывая не менее нескольких процентов всех атомов углерода, и основным их источником считаются как раз звезды-гиганты, находящиеся на поздних эволюционных стадиях (если говорить точнее, звезды асимптотической ветви гигантов (АВГ), см. рис. 1). Условия в раздутых оболочках этих звезд способствуют протеканию высокотемпературной химии с образованием не только сложных молекул, но и состоящих из них более крупных частиц — макромолекул и пылинок.
На протяжении долгого времени считалось, что синтез ароматических углеводородов в оболочках звезд-гигантов подобен процессу их формирования при неполном сгорании углеводородного топлива: сначала образуется ацетилен (C2H2), затем три молекулы ацетилена замыкаются в бензольное кольцо (C6H6), а затем из колец начинают складываться полициклические структуры. Испанские ученые решили подойти к вопросу тщательнее и исследовать детали формирования макромолекул в оболочках АВГ-звезд, максимально приблизив условия эксперимента именно к оболочке звезды, а не к дизелю старого автобуса.
Для проведения эксперимента использовалась установка Stardust (рис. 2) — многофункциональная машина для исследования процессов в околозвездной среде. В условиях ультравысокого вакуума (он нужен, чтобы избавиться от атмосферных газов) сначала производилось испарение атомов углерода (из графита бомбардировкой атомами аргона) до концентрации порядка 2,5×1010 частиц в см3, а затем к ним примешивался молекулярный водород. Авторы рассмотрели два случая: в первом молекулярный водород добавлялся примерно в равном количестве с углеродом, во втором его концентрация превышала концентрацию атомов углерода на два порядка. Идея состояла в том, чтобы в реакциях принимали участие только атомарный углерод и молекулярный водород; никаких посторонних газов, никаких изначально присутствующих углеводородных молекул (как это бывает при горении углеводородного топлива).
И получилось в результате, что эти реакции практически не приводят к формированию ароматических соединений. Анализ продуктов реакций проводился как в газовой фазе, так и на подложке (химически инертной поверхности). Продукты, обнаруженные на подложке, варьируются от углеродных наночастиц размером около 9 нм до молекул, содержащих три-пять атомов углерода (на подложке их точный состав установить невозможно). Пылинки размером 9 нм для межзвездной среды мелковаты, там типичный размер частиц принимается обычно равным 100 нм, однако данный эксперимент предполагал исследование лишь самого начала их роста. В газовой фазе получившиеся молекулы анализировали при помощи масс-спектрометра. Среди продуктов реакций при обеих концентрациях H2 действительно присутствуют ацетилен, этилен, метан, этан, более крупные алифатические молекулы, но ароматических соединений (с кольцевой структурой) оказывается не более 3%.
Это не означает, что ароматические соединения в таких условиях не образуются в принципе (или образуются крайне неэффективно). В эксперименте были обнаружены признаки формирования бензола и нафталина уже на подложке, из собранных на ней углеродсодержащих молекул. Однако для того, чтобы этот процесс работал в звездных оболочках, в них сначала должны образоваться твердые частицы.
Рождение ажурных молекул в космосе
Авторы второй работы2 — Джейкоб Бернал (Jacob Bernal) и Пьер Энекур (Pierre Haenecour), сотрудники Аризонского университета, а также их коллеги из США и Канады — озадачились вопросом происхождения фуллеренов (рис. 3) — сферических молекул, названных в честь архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который прославился своими ажурными «геодезическими куполами». Доказательства наличия фуллеренов C60 и C70 в космосе впервые были опубликованы в 2010 году. Их нашли в молодой планетарной туманности, то есть в газовой оболочке, которая была недавно сброшена звездой, завершившей эволюционный путь. Изначально это открытие привело к предположению, что фуллерены также формируются в веществе, сбрасываемом проэволюционировавшими звездами. Позже выяснилось, что фуллерены встречаются не только в окрестностях старых звезд, но и в молодых звездных объектах, и в диффузных облаках межзвездного газа, что составляет некоторую проблему. Дело в том, что в фуллеренах нет водорода, который есть почти везде, где они наблюдаются, и поэтому хорошо было бы найти такой процесс их образования, из которого водород исключен.
Сотрудники Аризонского университета провели эксперимент по формированию фуллеренов на поверхностях частиц размером от 45 до 65 нм из карбида кремния, который, как предполагается, является одним из основных компонентов пыли, образующейся в оболочках проэволюционировавших звезд, богатых углеродом. Образцы нагревались до температуры 1000 °C, а затем подвергались бомбардировке ионами ксенона с энергией 150 кэВ. Эти условия примерно соответствуют ударным волнам в оболочке проэволюционировавшей звезды. Нагрев и облучение привели к изменению свойств поверхности частиц, а именно к образованию в их внешних оболочках графитовых слоев. Шестиугольная структура графита вполне соответствует кристаллической структуре использованной модификации карбида кремния. А вот в местах дефектов кристаллической решетки SiC образовывались полусферические и квазисферические пузырьки диаметром около 0,7 нм, для построения которых нужны уже пяти- и семиугольные структуры из атомов углерода (рис. 4). Эти пузырьки вполне могут оказаться будущими фуллеренами.
Авторы статьи полагают, что им удалось найти эффективный механизм формирования сферических углеродных молекул. Существуют и альтернативные механизмы, например «скручивание» плоских молекул полициклических ароматических углеводородов, однако в этом случае нужно сначала объяснить происхождение больших (как минимум с 60 атомами углерода) ПАУ с регулярной структурой, а затем еще понять, как они очищаются от входящих в их состав атомов водорода. А здесь всё просто: вы берете пылинку из карбида кремния, помещаете ее в оболочку звезды-гиганта или (прото)планетарную туманность, и там ударные волны и звездный ветер отколупывают от ее поверхности маленькие углеродные шарики.
Дмитрий Вибе,
докт. физ.-мат. наук, зав. отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН
1 Martínez L., Santoro G., Merino P. et al. Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes. Nature Astronomy (2019).
2 Bernal J. J. et al. Formation of Interstellar C60 from Silicon Carbide Circumstellar Grains. The Astrophysical Journal Letters, V. 883, No 2.