Вселенной более 13 миллиардов лет, и космос часто изображают как огромный пустой вакуум. Кроме планет и звезд там ничего нет, верно? На самом деле космос усеян сложными молекулами на основе углерода. Однако диапазон молекул и химический состав, участвующий в их образовании, остаются во многом загадочными. Были дразнящие намеки на сложную астрохимию. Например, пребиотические молекулы, такие как аминокислоты и нуклеиновые основания, были обнаружены в метеоритах — самый известный из них приземлился в 1969 году недалеко от Мерчисона, примерно в 140 км к северу от Мельбурна. Но чтобы понять молекулярный состав космоса, астрономам и астрохимикам необходимо выйти за рамки анализа метеоритов, которые случайно врезались в Землю. Для этого астрономы измеряют звездное излучение с помощью телескопов, в то время как другие ученые моделируют межзвездные условия в лаборатории — подробнее о том, как наша команда использует этот метод, позже. Из примерно 240 молекул, обнаруженных сейчас в космосе, большинство было обнаружено с помощью радиотелескопов.
Космический телескоп Джеймса Веба (JWST) — крупнейший космический телескоп из когда-либо запущенных — предназначен для получения изображений очень удаленных объектов и излучения химических веществ в среднем инфракрасном диапазоне, что можно использовать для идентификации элементов и молекул. Высокая чувствительность и разрешение JWST уже сделали возможным несколько недавних важных наблюдений астрономических молекул, которые помогают разгадать природу и происхождение химической сложности во Вселенной. К ним относятся недавние свидетельства существования сложных органических молекул в галактике SPT0418-47, расположенной на расстоянии 12,3 миллиарда световых лет от нас — самых далеких и старых органических молекул, которые когда-либо были обнаружены. Молекулы представляют собой полиароматические углеводороды (ПАУ), состоящие из двух или более конденсированных ароматических колец углерода, которые повсеместно распространены на Земле, встречаются в живых системах, ископаемом топливе и участвуют в химических процессах, связанных с возникновением жизни.
Еще одним ключевым открытием является наблюдение метилового катиона метилия (CH3+) в диске, окружающем недавно образовавшуюся звезду. Эта область подвергается интенсивному ультрафиолетовому излучению горячей молодой звезды, обеспечивая энергию, необходимую для образования CH3+, который имеет молекулярную структуру, эквивалентную метану минус один атом водорода, и играет важную роль в образовании более сложных молекул на основе углерода. Эти и другие ингредиенты сложной химии выбрасываются новыми, сверхновыми и другими массивными космическими явлениями в обширную область между звездами — межзвездную среду. Хотя мы не можем просто путешествовать на световые годы, чтобы собирать и изучать межзвездные молекулы, астрономы могут обнаруживать молекулы в межзвездной среде, собирая свет, излучаемый звездами. Поскольку свет проходит такое огромное расстояние, прежде чем достигнет детекторов на Земле, он имеет значительную вероятность быть поглощенным молекулами в межзвездных облаках. Длины волн поглощаемого света дают спектр, содержащий отпечатки молекул в космосе. Интересно, что в видимой и ближней инфракрасной области спектра было обнаружено более 500 линий поглощения, которые известны как диффузные межзвездные полосы (DIB).
Некоторые из наиболее известных DIB были впервые обнаружены доктором философии. студентка Мэри Леа Хегер в 1919 году в Ликской обсерватории в Калифорнии (США), с тех пор было открыто еще много DIB. Хотя теперь ясно, что DIB возникают из молекул межзвездной среды, структура и состав молекул, ответственных за почти все DIB, остаются загадкой. Фактически, только одна молекула была идентифицирована как источник каких-либо особенностей в спектрах DIB — углеродный кластер бакминстерфуллерена (C60+), который имеет вид крошечного футбольного мяча. Поскольку C60+ является единственным подтвержденным носителем DIB, разумно ожидать, что другие DIB могут быть обусловлены большими углеродными кластерами, состоящими из от 10 до 100 атомов. Углеродные кластеры имеют самые разные размеры и молекулярные формы; однако широкий спектр возможных структур усложняет их обнаружение. В подвале химического корпуса лаборатории лазерной спектроскопии доктор Сэмюэл Марлтон, доктор философии. Кандидат Чанг Лю и профессор Эван Биске используют самодельный аппарат для генерации, разделения и изоляции отдельных структур углеродных кластеров в условиях газовой фазы, напоминающих холодный космический вакуум.
С помощью этого аппарата команда сравнивает астрофизические данные, полученные астрономами, с лабораторными данными для конкретных структур углеродных кластеров. В недавней работе, опубликованной в Журнале физической химии A, исследовательская группа изучила спектры поглощения колоссальных углеродных колец, углеродных агрегатов, содержащих от 14 до 36 атомов, расположенных в виде плоских колец. В этой работе они нашли доказательства существования углеродного кольца C14+ (состоящего из 14 атомов углерода), которое может вносить вклад в спектры DIB. Это захватывающий результат, поскольку почти все из более чем 500 DIB происходят из молекул, которые остаются неопознанными, что иллюстрирует продолжающиеся загадки, окружающие молекулярный состав межзвездного пространства. Хотя JWST проводит астрономические измерения при более низких энергиях, чем сообщается здесь, оба они являются частью проекта по обнаружению межзвездных молекул посредством комбинированных астрономических и лабораторных исследований. Вместе эти методы только начинают раскрывать то, что находится во Вселенной, и это гораздо больше, чем просто пустое пространство.
