— Как проводился этот эксперимент и какую он имеет связь с победившим в конкурсе мегагрантов Самарским филиалом ФИАН?
— Мегагрант правительства Российской Федерации «Происхождение и эволюция органических молекул в нашей Галактике» был запущен в прошлом году, а соглашение было заключено в июне. Понятно, что готовую установку за такое время построить было тяжело, поэтому эксперименты первоначально проводились в лаборатории ведущего ученого этого проекта, руководителя мегагранта, профессора Гавайского университета на Маноа Ральфа Кайзера. Он проводит такие эксперименты на своей установке на Гавайях. Там же работал один из наших ученых, Иван Антонов, который находился в США несколько месяцев, он тоже участвовал в этих экспериментах, в том числе с этой установкой.
Прежде не было до конца ясно, как образуются те органические молекулы, что выявляются, например, радиотелескопами или по излучению в других электромагнитных диапазонах — в видимом свете, в инфракрасной области. Считалось, что жесткое излучение оказывает на органику губительное воздействие, и молекулы в таких условиях просто разбиваются на части. Однако на самом деле молекулы не только диссоциируют под воздействием этого излучения, при этом идут также реакции синтеза по укрупнению этих молекул.
В газовой фазе концентрация этих молекул очень невелика. Поэтому скорость газофазных реакций, инициируемых космическим излучением, недостаточна, чтобы за время существования туманности образовались какие-то сложные молекулы в количествах, наблюдаемых астрономическими инструментами. В результате было выдвинуто предположение, что процессы идут в твердой фазе, где концентрация частиц высокая и подобные реакции могут быть инициированы космическим излучением.
Если какая-то высокоэнергетическая частица попадает на песчинку, покрытую льдом, то может произойти взаимодействие — примерно так же появляется видимый трек в камере Вильсона — пока эта частица летит, она выбивает из молекулы и атомов вторичные электроны с образованием ионов, разбивает молекулы на радикальные части или переводит их в возбужденные состояния.
Как правило, данные продукты химически активны и энергично реагируют как между собой, так и с окружением.
В своих экспериментах мы на охлажденную до криогенной температуры (около 10 К) пластинку намораживаем пленку льда из газов, которые напускаем в вакуумную камеру, и тем самым воспроизводим тот лед, что находится в космических условиях. И далее контролируем толщину этой пластинки. После того, как мы наморозили слой, скажем, в 1 мкм, мы, поддерживая температуру 10 К, начинаем бомбардировать пластинку разными частицами, в частности, вакуумным ультрафиолетом — то есть фотонами жесткого диапазона. Можно, конечно, бомбардировать пластинку также протонами, ионами, электронами, но на первом этапе мы направляли на пластину поток электронов — для этого мы используем в нашей установке электронную пушку. Фотоны с энергией около 10 эВ получали утроением частоты третьей гармоники неодимового импульсного лазера в ячейке со смесью инертных газов.
Молекул, которые наблюдаются в космосе, бесчисленное множество, и понять, как образуется та или иная молекула — это означает решить отдельную задачу. Этим предстоит заниматься еще многим лабораториям долгие годы.
— Вы предполагаете продолжить эти эксперименты, построив установку в Самаре, где будут изучаться другие молекулы и другие типы излучения?
— Да, конечно. Такие лаборатории есть не только у нас, они есть в Китае, в Соединенных Штатах и т.д.
Экспериментальная установка, которая строится в Самарском филиале ФИАН, содержит вакуумную камеру, в которой создается разрежение 10-11 мм рт. ст., чтобы приблизиться к космическим условиям. Камера откачивается последовательностью безмасляных турбомолекулярных насосов для того, чтобы избежать загрязнения приготавливаемых льдов парами масел. В камеру помещается пластинка, охлаждаемая криогенным холодильником.
Лед на пластинке формируется из запускаемых в камеру контролируемых количеств газов, например паров воды, кислорода, CO, CO2, N2 и метана, являющихся основными компонентами, из которых состоят молекулярные облака в космосе. В условиях низких температур межзвездного пространства эти газы конденсируются на поверхности песчинок, образуя лед. Получившиеся продукты анализируются высокочувствительным времяпролетным масс-спектрометром.
— А в космосе не предполагаются эксперименты на спутниках или на МКС?
— Нам требуется выполнять эксперименты в строго контролируемых условиях. Космическое излучение бывает самым разным, в том числе разброс по энергиям слишком велик. Конечно, этот лед можно наморозить, выставить за борт космического корабля и подождать, что там будет со временем. Но там же еще нужно будет диагностику проводить. А как в космосе все это делать? На данный момент необходимости в подобных космических экспериментах пока нет. Гораздо удобнее это делать в лабораторных, хорошо прогнозируемых и строго контролируемых условиях.
Когда мы бомбардируем образец электронами, то воспроизводим те условия, в которых эволюционирует какая-либо туманность.
В начале она долгое время находится при данной криогенной температуре, там образуются песчинки, а на песчинках — молекулы в виде льда. Если возникнет какая-то флуктуация плотности в каком-то месте туманности, то газ начинает сжиматься. При сжатии, коллапсе, он нагревается, температура в нем начинает подниматься с 10 К. 50 К, 100 К, потом 300 К и так далее. При этом молекулы, в том числе синтезированные в ходе реакций во льду, сублимируются в газовую фазу. В области звездообразования, где звезда только-только начинает образовываться, концентрация сложных молекул относительно высокая и их излучения уже достаточно, чтобы его удалось зарегистрировать с Земли. К настоящему времени зарегистрировано уже несколько сот молекул.
Помимо регистрации молекул астрономами, к нам на Землю попадают метеориты, их собирают и изучают состав. И там тоже находят сложные органические молекулы. Еще один путь обнаружения сложных органических молекул из космоса — это вещество, доставленное с комет и астероидов, например, с кометы Чурюмова — Герасименко, куда летала автоматическая межпланетная станция Rosetta. То же самое проделывали японские аппараты «Хаябуса» и «Хаябуса-2», доставившие образцы грунта с астероидов Итокава и Рюгу.
Молекулы эти везде присутствуют, а теперь надо понять, как же они образуются. Это важно потому, что тем самым мы ищем ответ на вопрос о том, как появилась жизнь, где образовались исходные сложные молекулы. То ли они образовались уже на Земле, то ли Вселенная так устроена, что эти молекулы образуются в самых разных местах самыми разными способами. Один из возможных сценариев — образование в туманностях в реакциях, инициируемых воздействием космических лучей. Чтобы химическая реакция при низких температурах пошла, необходимо активировать молекулы, сообщить им энергию. После того, как исходные молекулы при воздействии частиц активированы, они начинают реагировать со своим окружением, создавая новые молекулы.
Сценариев синтеза сложных молекул может быть множество. Например, они могут образовываться в звездных оболочках на финальной стадии эволюции небольших звезд, похожих на наше Солнце. Спустя миллиарды лет Солнце, выработав в своем ядре большую часть водорода, начнет раздуваться, переходя в стадию красного гиганта. Считается, что Солнце тогда поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю.
И когда дело дойдет до Земли, температура в солнечной оболочке будет уже не такая высокая, порядка 2000 К. При этих условиях активационные барьеры реакций будут преодолеваться за счет тепловой энергии сталкивающихся реагентов. Продуктом этих реакций также могут быть сложные органические молекулы.
Затем происходит сброс внешних оболочек звезды, сама она превращается в белого карлика, а вокруг нее образуется так называемая планетарная туманность. И в этой туманности будет содержаться бульон из самых разных молекул, а не только простейшие гелий и водород.
— То есть смерть звезды на каком-то очередном витке может дать начало новой жизни?
— Да, космическое пространство не стоит представлять исключительно холодным, безжизненным и состоящим исключительно из простых соединений, максимум молекул воды. Их образуются бесчисленное множество, они дорастают до фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и частиц графена. Но на данном этапе мы больше занимаемся углеводородами. Потому что это основа жизни. А если в эту «ароматику» начинают внедряться еще и атомы азота, то получаются уже практически пребиотические молекулы.
— Но для того, чтобы эти «кирпичики жизни» развились в жизнь, они же должны еще попасть в какое-то подходящее место? И где это может быть: на планетах, спутниках — в какой именно части Солнечной системы?
— Главное, что стадия образования крупных молекул из мелких может успешно протекать даже в космосе. И это — часть ответа на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной или еще где-то есть жизнь. После таких исследований вероятность всех этих событий увеличивается. Если подобные молекулы есть везде в космосе, то вероятность зарождения жизни тоже увеличивается.
Но для появления привычной нам жизни, конечно, нужна вода и достаточно высокая температура. Хотя и в Антарктиде, где отрицательные температуры, находят живые организмы во льду. И даже в условиях Марса они могут выживать — конечно, в первую очередь, где-то не на поверхности, а чуть глубже. Их там ищут целенаправленно марсианские миссии. И на некоторых спутниках планет-гигантов, где есть вода, которая покрыта льдом, возникновение жизни не исключается. Порой просто хорошо видно, как бьют гейзеры, как там вода испаряется, — это происходит, например, на Европе и Энцеладе. Поскольку там действуют мощные приливные силы планет-гигантов, Юпитера и Сатурна, внутренности спутников начинают нагреваться. Раз идет пар — значит, там есть тепло, есть энергия. В принципе, считается, что в этих местах тоже может быть жизнь.
— Называют еще Титан, но там, если жизнь и может развиться, то, видимо, какого-то иного, не земного типа, на другой основе?
— Да, там органики на самом деле много, и у того же Ральфа Кайзера, руководителя нашего гранта, имеется масса работ по Титану. Но не надо забывать и про экзопланеты. В скором времени появятся новые данные по спектрам излучения и поглощения атмосфер, можно будет выяснить, есть ли там вода, есть ли кислород, озон. Если все это есть и температура соответствующая, то может возникнуть жизнь. Вот и в атмосфере Венеры есть углекислый газ CO2, он диссоциирует, появляется кислород, там обнаружены «маркеры жизни» — спектральные линии газа фосфина, но все это, конечно, еще нуждается в подтверждении.
У Ральфа Кайзера есть работы про возможность жизни иного типа — когда вместо углерода используется кремний, то есть жизнь, возможно, способна развиться и на основе кремния.
Он изучает подобные соединения, берет и смотрит, как образуются соответствующие молекулы, каковы их свойства, как они реагируют друг с другом. Таблица Менделеева, конечно, большая, но все это работает не со всеми элементами. По богатству соединений, которые может обеспечить углерод, с ним на самом деле не может соревноваться даже кремний.
— Но ведь идея мегагранта прежде всего в международном сотрудничестве? А не будет ли сейчас проблем, в том числе с оборудованием?
— Все так. Но вместе можно сделать очень много хороших вещей, зная потенциал друг друга. Тем более, что уже было потрачено на все это немало усилий. Был потрачен год, и бросать это дело не в чьих интересах. Сложности, конечно, появились, не без этого, и они не только у нас, они у всех ученых. Научное оборудование изготавливается в разных странах, много делается в Китае, а много — в Европе, здесь всюду интернациональная работа — кто-то делает хорошо одно, кто-то — другое. Самодостаточных стран нет.
— В 2030 году в России планируется запустить очередную космическую обсерваторию, на этот раз работающую в миллиметровом и инфракрасном диапазонах, «Миллиметрон». Он поможет искать новые сложные молекулы?
— Да, он должен позволить регистрировать спектры в миллиметровом диапазоне, но это лишь одна из его задач. На самом деле, он решает еще более фундаментальные задачи, но в принципе, если его настроить на нужный диапазон, то он позволяет и наши задачи решать. Скорее всего, так и будет, когда его все-таки запустят.