|
Изучение самой важной молекулы в космосе
|
|
|
|
«Большая часть Вселенной состоит из водорода в той или иной форме, — говорит Людвик Адамочи, профессор химии и биохимии Аризонского университета. — Но ион H3+ — наиболее распространенный молекулярный ион в межзвездном пространстве. Также это одна из наиболее важных молекул в космосе».
|
|
|
|
Считается, что H3+ был крайне важным для формирования звезд в ранние дни вселенной, а также стал прекурсором многих видов химических реакций, в том числе тех, которые привели к возникновению воды или углерода, имеющих важное значение для жизни.
|
 |
| Как полагают, H3+ сыграл жизненно важную роль в охлаждении первых звезд
во Вселенной и все еще играет важную роль в формировании современных звезд.
Скромная молекула, более известная как трехатомный ион водорода, может хранить
секреты формирования первых звезд после Большого Взрыва, для проведения
исследований ученым потребовались автоперевозки
из Бельгии. |
|
|
|
Под действием радиации, пронизывающей межзвездное пространство, H3+ может приобретать энергию, которая приведет к вибрации и потере его симметрии. В таком случае электроны распределены только по двум атомам водорода. Асимметрия приведет к тому, что молекула будет излучать свет и охлаждать образующиеся звезды.
|
|
|
|
Ранние звезды должны были разгораться все жарче и жарче, пока не взорвались бы еще до завершения процесса образования, по словам Мишеля Паванелло, если бы не было способа снять часть этой накопившейся энергии.
|
|
|
|
«Не было бы никакого звездообразования, если бы не было молекул, которые медленно охлаждали бы звезду, испуская свет, — говорит Паванелло. Не многие молекулы могут сделать это отчасти потому, что в первые дни мироздания было не так много молекул. — Астрономы полагают, что единственной молекулой, которая могла охладить формирующуюся звезду, в то время была именно H3+».
|
|
|
|
Другая молекула, молекулярный водород, тоже должна была присутствовать, но ей для охлаждения звезды понадобилось бы на порядок больше времени. Водород не особо любит излучать свет, в то время как H3+ может изгибаться и вибрировать, и при этом излучать свет».
|
|
|
|
H3+ представляет собой электрически заряженную молекулу, то есть ион. Он состоит из трех атомов водорода, из которых только два делят электроны между собой. Не имея отрицательно заряженного электрона, молекула приобретает плюс-один положительный заряд. H3+ треугольной формы, и когда возбуждается, начинает вибрировать различными способами.
|
|
|
|
«Нужно большое количество вычислений, чтобы предсказать эти вибрации на квантово-механическом уровне, — говорит Адамович. — Задача теории — в основном имитировать эти вибрации на компьютере, а затем описать, как молекула танцует, или вибрирует».
|
|
|
|
Понимание различных вибраций H3+ может помочь астрономам определить ее роль в образовании звезд во времена юной вселенной.
|
|
|
|
«В 90-х годах H3+ наблюдался вокруг звезд, — говорит Адамович. — Звезды излучают радиацию, которая не только способствует производству H3+, но и возбуждает молекулы до более высоких энергетических состояний. Молекула также может возбуждаться из-за остаточной энергии после химической реакции, в которую была вовлечена, или из-за столкновения с другими молекулами. В процессе спада возбуждения молекула излучает фотоны, которые были зафиксированы нашими радиотелескопами».
|
|
|
|
Это может происходить только с H3+, поскольку молекулярный водород слишком симметричен. Можно сделать вывод, что у H3+ была крайне важная функция охлаждения звезд в процессе образования после Большого Взрыва.
|
|
|
|
«Единственный способ, который поможет нам прогнозировать формирование звезд, — это точное знание охлаждающих способностей H3+. И мы не можем узнать об этих охлаждающих способностях все, пока не узнаем спектр вибраций молекулы. Нам нужно знать, каковы ее энергетические уровни».
|
|
|
|
В представленной работе ученые определили уровни энергии достаточно точно для того, чтобы можно было произвести точные прогнозы охлаждающих способностей H3+.
|
|
|
|
Группа не ставила перед собой задачу раскрыть секреты H3+, говорит Паванелло.
|
|
|
|
«Все произошло почти случайно. У нас в отделе масс-спектрометрии Аризонского университета был хороший друг, квантовый химик из Венгрии. Однажды он зашел и разговорился с Людвиком о возможности провести некоторые расчеты по H3+. В то время я только начал. Код, который я писал, был почти закончен, и мы решили, что H3+ будет хорошей системой для проверки этого кода».
|
|
|
|
Исследователи задали код на суперкомпьютере в Центре высокопроизводительных вычислений Университета Аризоны. Он описывал то, как H3+ вибрирует в зависимости от принципов квантовой механики. В зависимости от уровня приближений, выполненных с помощью кода, ученые смогли разработать программное обеспечение для хорошего описания движения малых молекул и приблизительного — для крупных молекул.
|
|
|
|
Результаты команды были подтверждены группами ученых из Венгрии, Франции, Лондона и России, а также учеными из Института Макса Планка в Гейдельберге, Германия, которые создали H3+ в лаборатории и убедились в том, что спектральные линии элемента соответствуют предсказанным.
|
|
|
|
Вклад команды позволил исследователям впервые обозначить спектральные лини H3+ в определенных видах вибрационных движений, когда ион испускает фотон в почти видимом диапазоне.
|
|
|
|
«Если вы наведете телескоп на небо, вы увидите спектральные линии, которые специфичны для определенной молекулы или атома, — говорит Паванелло. Различные молекулы испускают фотоны при различных длинах волн, что приводит к разным спектральным линиям, на основе которых астрономы определяют химический состав звезд. Но чем точнее становятся телескопы, тем больше спектральных линий мы видим».
|
|
|
|
Ученые находятся в токе, когда видят множество спектральных линий, которые могут идентифицировать, но не знают, что они означают. Зная уровень вибрации, а значит, и спектральные линии H3+, астрономы смогут отфильтровать спектральные линии в ходе наблюдения и продолжить идентификацию элементного состава объектов в космосе.
|
|
|
|
Также работа позволит ученым предсказать охлаждающие способности H3+ и создать возможный сценарий образования первых звезд после Большого Взрыва. Теперь в руках астрофизиков важный кусок головоломки, которая позволит составить модель формирования первых звезд.
|
|
|
|
http://hi-news.ru/research-development/kak-proxodit-izuchenie-samoj-vazhnoj-molekuly-v-kosmose.html
|
