Химия межзвездного пространства

Еще не так давно в науке допускалось, что межзвездное пространство представляет собой пустоту. Все вещество Вселенной сосредоточено в звездах, а между ними нет ничего. Лишь в пределах Солнечной системы где-то по неведомым путям блуждают метеориты и их загадочные собратья — кометы.

Удивительно сложны и неожиданны пути зарождения одной из наук будущего — химии космического пространства. В глухие и страшные годы фашистской оккупации в маленьком голландском городке Лейдене на тайном собрании подпольного научного кружку юный студент Ван де Холст сделал доклад. Исходя из теории строения атома (которая, как мы уже знаем, была развита наукой на основе периодического закона Менделеева) он рассчитал, какова должна быть самая длинная волна в спектре излучения водорода. Оказалось, что длина этой волны 21 см. Она относится к коротким радиоволнам. В отличие от хорошо изученного видимого спектра, излучаемого раскаленным водородом, его радиоизлучение может происходить и при низких температурах.

Ван де Холст рассчитал, что на Земле такое излучение в атоме водорода маловероятно. Нужно ждать много миллионов лет, пока в атоме водорода произойдет перемещение электронов, которое сопровождается излучением радиоволн длиной 21 см.

В своем докладе молодой ученый сделал предположение: если в безграничном мировом пространстве присутствует водород, можно надеяться обнаружить его по излучению на волне 21 см. Это предсказание оправдалось. Оказалось, что из необъятных глубин Вселенной к нам на Землю всегда, не прекращаясь ни ночью ни днем, приходят на волне 21 см поразительные радиосообщения о тайнах мироздания, которые приносит нам межзвездный водород.

Волна в 21 см мчится к нашей планете из столь отдаленных уголков Вселенной, что требуются тысячи и миллионы лет, пока она дойдет до антенн радиотелескопов. Она рассказала ученым, что в космосе нет пустоты, что в нем существуют невидимые глазу облака космического водорода, которые простираются от одной звездной системы к другой. Оказалось возможным даже определить протяженность и форму этих скоплений водорода. Для волны в 21 см в мировом пространстве нет преград. Даже черные, непроницаемые облака космической пыли, скрывающие от взора исследователя огромные области Млечного Пути, совершенно прозрачны для холодного излучения водорода. И эти волны помогают теперь ученым понять природу вещества, из которого построены далекие звезды не только Млечного Пути, но и самых отдаленных туманностей, лежащих на самом краю доступной нам части Вселенной.

Необъятные звездные миры, разобщенные чудовищными расстояниями в пустом безграничном пространстве, теперь оказываются связанными в единое целое гигантскими водородными облаками. Трудно проследить преемственность в развитии научных идей, но несомненно, что есть прямая и непрерывная связь между смелым предсказанием юного голландского студента и великой идеей Менделеева. Так был найден в межзвездном пространстве водород. Безграничное мировое пространство нельзя считать пустым. Теперь уже кроме водорода в нем найдено много других элементов.

Химия космоса очень своеобразна. Это химия сверхвысокого вакуума. Средняя плотность вещества в пространстве всего только 10^-24 г/см³. Такой вакуум пока нельзя создать в лабораториях физиков. Важнейшую роль в химии космического пространства играет атомарный водород. Следующий по распространенности — гелий, его раз в десять меньше; найдены уже кислород, неон, азот, углерод, кремний — их в космическом пространстве ничтожно мало. Выяснилось, что роль межзвездного вещества в мироздании огромна. На его долю приходится, по крайней мере в пределах нашей Галактики, почти половина всего вещества, остальная часть находится в звездах.

В химии межзвездного пространства за последние годы сделаны совершенно поразительные открытия. Все началось с того, что в космосе неожиданно обнаружили сложную молекулу цианоацетилена (НС₃N). Не успели космохимики объяснить, каким путем в межзвездном пространстве возникает органическая молекула столь сложного состава и строения, как вдруг с помощью радиотелескопа были открыты в созвездии Стрельца гигантские облака самого обыкновенного на Земле и совершенно неожи-

данного для космоса химического соединения — муравьиной кислоты (НСООН). Следующее открытие было еще более неожиданным. Оказалось, что в космическом пространстве существуют облака формальдегида (НСОН). Это само по себе уже достаточно удивительно, но совсем необъяснимым остается тот факт, что разные космические формальдегидные облака имеют разный изотопный состав. Как будто бы история межзвездной среды в разных частях Галактики различна.

Затем последовало еще более странное открытие: в небольшом облаке межзвездной пыли, лежащем где-то в направлении к центру нашей Галактики, обнаружили аммиак (NH₃). По интенсивности радиоизлучения космического аммиака удалось даже измерить температуру этой области космоса (25 К). Загадка космического аммиака заключается в том, что он в этих условиях неустойчив и разрушается под действием ультрафиолетового излучения. Значит, он интенсивно возникает — образуется в космосе. Но как? Пока это неизвестно.

Химия межзвездного пространства оказалась удивительно сложной. Уже найдены молекулы формамида (HCONH2) — шестиатомные молекулы, состоящие из атомов четырех разных элементов. Как они возникают? Какова их судьба? Были еще найдены молекулы метилцианида (СН₃СМ), сероуглерода (СS₃). сероокиси углерода (COS), окиси кремния (SiO).

Глубоко в недрах Солнца температура достигает 20 000 000 К. При такой температуре протекают ядерно-химические реакции между водородом (протонами) и углеродом, азотом и кислородом. На таблице изображен цикл этих реакций и указаны сдвиги элементов в периодической системе, происходящие при этих реакциях. Этот цикл замкнутый. В результате образуются атом гелия и четыре атома водорода. При этом выделяется солнечная энергия.

Кроме того, в космосе были открыты простейшие радикалы: например, метин (СН), гидроксил (ОН). Когда установили существование гидроксила, были предприняты поиски воды. Где есть гидроксил, там должна быть и вода, и она была действительно в межзвездном пространстве найдена. Это открытие особенно интересно и важно. В космосе есть вода, есть органические молекулы (формальдегид), есть аммиак. Эти соединения, реагируя между собой, могут привести к образованию аминокислот, что и было подтверждено на опыте в земных условиях.

Что же будет еще обнаружено в межзвездной «пустоте»? В ней найдено более 20 сложных химических соединений. Наверное, будут открыты и аминокислоты. Удивительные космические облака органических соединений, как, например, облако цианоацетилена в созвездии Стрельца, достаточно плотны и обширны. Расчет показывает, что такие облака должны сжиматься под действием сил тяготения. Не может ли оказаться вероятным совершенно фантастическое предположение, что планеты во время своего образования уже содержат сложные органические соединения — основу примитивных форм жизни. Пожалуй, становится вполне допустимым серьезное обсуждение, казалось бы, совершенно невозможного вопроса: «Что же старше — планеты или жизнь на них?» Конечно, трудно угадать, какой будет ответ на него. Ясно одно — для науки неразрешимых вопросов нет.

На наших глазах зарождается новая наука. Трудно предвидеть пути ее развития и предсказать, к каким еще более удивительным открытиям приведет эта наука — космическая химия.

До Менделеева ничего не было известно об элементах, занимающих теперь в периодической таблице порядковые номера 2, 10, 18, 21, 31, 32, 36, 43, 54, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 69, 70, 71, 72, 75, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 91, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105. Одни из них еще не были открыты, другие вовсе не существовали. Достаточно хорошо были изучены только 54 элемента, но правильные значения атомного веса были известны лишь для 49 элементов (они обозначены в таблице розовым цветом). Для элементов 22, 52, 76, 77, 79 Менделеев исправил на основании их положения в таблице неточно установленные атомные веса. Не производя никаких измерений, он предсказал новые верные значения атомного веса для элементов 4, 39, 49, 57, 58, 59, 68, 90, 92 (все эти элементы даны желтым цветом). Элементы 59 и 60 во времена Менделеева принимали за один элемент, для которого он и предсказал правильное значение среднего атомного веса. Отделить эти два элемента друг от друга удалось значительно позже. Менделеев предсказал существование двенадцати новых, до него никому не известных элементов. Для трех из них он даже указал все важнейшие физические и химические свойства не только самих элементов, но и некоторых их соединений. Это были элементы 21, 31 и 32 (синий цвет). Кроме этих элементов Менделеев предсказал элементы 43, 72, 75, 84, 85, 87, 88, 89, 91 (сиреневые клетки).

По примеру Менделеева, на основании его системы были предсказаны элементы 10, 36, 54, 86 (отмечены оранжевым цветом). Все эти шестнадцать предсказанных заранее элементов позднее были обнаружены в природе. Кроме них, тоже после открытия периодического закона, были найдены элементы 2, 18, 60, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 69, 70, 71 (зеленый цвет). Элементы 43, 61, 85 долгое время найти в природе не удавалось. Они были созданы сначала искусственно. Элементы 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105 лежат за пределами таблицы, существовавшей при жизни Менделеева. Их тоже не было на Земле, все они созданы искусственно, и пути для их синтеза указаны периодическим законом (эти элементы помечены палевым цветом). Элементы 43, 85 и 87 помечены на таблице двумя цветами. Это искусственно полученные элементы, существование которых было предсказано Менделеевым.

перейти к началу страницы