Молекулы в космосе

Современная техника также позволяет рассмотреть в космосе не только огромные объекты, но и самые маленькие. Речь в данном случае идет о молекулах и атомах.

Если раздуть «электронное облако»… В начале века знаменитый датский ученый Нильс Бор предположил, что атом по своему внешнему виду несколько похож на воздушный шарик. Оболочку его составляет «электронное облако» — электроны, вращающиеся по своим орбитам вокруг компактного ядра, слепленного из протонов и электронов.

Позднее ученые усовершенствовали эту модель, разобрались во многих тонкостях процессов микромира. И стало понятно, что «электронное облако» тоже можно «раздуть». Достаточно добавить электрону дополнительную энергию, и он перейдет на более высокую орбиту. А значит, атом увеличится в объеме.

В обычных, земных условиях «раздутое» состояние не может быть устойчивым. Соседние атомы, находящиеся в той же кристаллической решетке, помешают «электронному шару» раздуваться до бесконечности. Он вскоре потеряет излишнюю энергию, отдав ее в пространство в виде электромагнитного излучения. Электрон при этом перейдет на более низкую орбиту, и атом снова приобретет нормальные размеры.

Были выяснены и пределы увеличения. По теории выходило, что число уровней орбиты, на которых может находиться возбужденный электрон, не превышает десятка. Но это опять-таки в земных условиях, где атомов в кубическом сантиметре пространства обычно больше, чем пассажиров в переполненном трамвае. А если заглянуть в бездонные глубины космоса? Там ведь могут отыскаться участки, где количество атомов в том же объеме измеряется единицами. А значит, есть и принципиальная возможность расти, «раздуваться» чуть ли не беспредельно: соседи-тому не мешают.

Теоретики — и в их числе известный астрофизик Н. С. Кардашев — в свое время указывали, где можно наблюдать скопления таких атомов-гигантов — в разреженных межзвездных, даже межгалактических облаках, состоящих из ионов водорода и гелия.

Поиски в облаках. Облака эти тоже не бог какая новость для науки. Уже около 80 лет астрономы знают, что космическое пространство между звездами в нашей Галактике не является полностью пустым, а заполнено газом, содержащим небольшие гранулы пыли.

Хотя элементы, образующиеся в звездах, чаще всего существуют в виде отдельных атомов или инертных гранул, время от времени они образуют и молекулы. Причем некоторые из них настолько необычны, что об этом стоит поговорить подробно.

Но разговор наш может состояться лишь в том случае, если теория не вступит в противоречие с практикой. Или, говоря иначе, подобные атомы и молекулы-гиганты действительно можно обнаружить во Вселенной.

Однако звездолеты строить мы пока не научились. Как же тогда выяснить, в каком именно состоянии вещество в межгалактических облаках, какие размеры имеют составляющие его атомы и молекулы?

Ученые решили предпринять обходной маневр великанов стали искать по их следам. Мы уже говорили, что при переходе с орбиты на орбиту электроны в атомах либо получают энергию, либо отдают ее в виде излучения. А раз так, это можно обнаружить спектроскопическими методами. То есть по виду излучения, по длине его волны, исследователи, находясь на поверхности нашей планеты, могут судить, при переходе с какого на какой электронный уровень оно было получено.

Так говорила теория. Но на самом деле все выглядело вовсе не столь уж гладко даже на бумаге. Те же теоретические расчеты показывали: атомов с электронами на высших уровнях в природе очень мало. Кроме того, при большом удалении от ядра интенсивность излучения электрона резко падает. Да и само излучение приходится на такие диапазоны, где много помех как природного (все звезды имеют свои «радиоголоса»), так и искусственного, земного происхождения (на тех же длинах волн работают многие промышленные установки и радиостанции). Да вдобавок еще и эффект Доплера мешает.

О последнем, пожалуй, стоит сказать пару слов особо — это еще пригодится нам в дальнейшем.

Дело в том, что атомы в межзвездном пространстве, конечно, не стоят на месте, а беспрерывно движутся, причем с большими скоростями. Такие колебания, метания вокруг некоего центра свойственны всем атомам, нагретым выше температуры асболютного нуля (-273,6 ёС). А физики давно заметили, что частота излучения меняется в зависимости от того, в каком направлении — от нас или к нам —движется тело. Вы и сами могли в том убедиться: гудок приближающейся электрички звучит иначе, чем удаляющейся…

А поскольку атомы движутся не по расписанию, как электрички, а хаотично, излученные ими спектры накладываются друг на друга, размываются, становятся весьма трудно различимыми. Так что когда в 1962 году американские исследователи провели серию наблюдений с помощью радиотелескопа, то вынуждены были в конце концов отступить. «Тут нужна специальная аппаратура уникальной чувствительности», заключили они.

За дело взялись наши специалисты. И вскоре в Физическом институте им. П. Н. Лебедева была создана радиоустановка с 27-метровой антенной. В апреле 1964 года с ее помощью в районе туманности Омега была наконец обнаружена радиолиния возбужденного водорода. Она соответствовала переходу электрона с 91-го уровня на 90-й, то есть атом превосходил почти на порядок те, что имеются на Земле. Причем почти одновременно с москвичами астрономы Пулковской обсерватории отыскали в просторах Вселенной еще большие атомы.

Сообщение об открытии вызвало бурю в научном мире. Разработанные нашими исследователями методы поиска атомов-гигантов были приняты на вооружение всеми обсерваториями мира. И результаты не замедлили сказаться.

Есть находка! Например, по предложению С. Я. Брауде в Харькове были развернуты исследования, целью которых стало обнаружение атомов, для которых количество разреженных атомных уровней было бы не 10, как на Земле, а 600.

Теоретики подсчитали, что уловить слабое излучение столь «раздутых» атомов, находящихся от нас на многие десятки тысяч световых лет, способна лишь антенна площадью в несколько квадратных километров! Построить такую систему уже непростая инженерная задача. Да ведь еще надо предусмотреть, чтобы часть ее передвигалась: именно таким образом производится перенацеливание антенны на тот или иной участок неба.

И все-таки задача была решена; неподалеку от Харькова выросло необычное Т-образное сооружение, занимающее целое поле — 1800x900 м. Это и был уникальный радиотелескоп УТР-2.

С его помощью в 1978 году астрофизикам удалось обнаружить первые следы атомов, электронные оболочки которых имели 640 уровней! Затем отыскали и еще большие гиганты с 750 уровнями. Если привести эти данные к обычным метрическим мерам, то выходит, что такие атомы должны иметь диаметр около 0,1 мм. От обычных они отличаются как Садовое кольцо от горошины! Если бы мы были способны различать электронные облака, то могли бы в принципе увидеть их даже невооруженным глазом.

Следы жизни. Однако обнаружение атомов, пусть и атомов-великанов, являлось вовсе не самоцелью исследований. По мнению ученых, такие атомы, а уж тем более состоящие из них молекулы, должны обладать на редкость необычными свойствами. Какими именно?

Чтобы понять это, исследователи по спектрограммам прежде всего постарались разобраться, какие именно молекулы могут образоваться. И вот тут их ждал приятный сюрприз. Оказалось, что наряду с водородом и гелием в облаках, хотя редко (1 атом на 100 атомов водорода), встречаются и ядра более тяжелых атомов и молекул. Астрономам удалось обнаружить ионизированные молекулы, а также их фрагменты-радикалы, содержащие в себе кислород, азот, серу, кремний, хлор и фосфор.

Более того, исследование инфракрасных спектров сверхновых звезд, из которых и выбрасывается основная часть материи, составляющая потом межгалактические облака, навело астрономов на мысль, что межзвездная среда может содержать молекулы с кольцами из атомов углерода, например гексанбензонал (С24Н12) и нафталин (С10Н8). To есть, говоря попросту, там содержатся сложные органические молекулы, могущие послужить основой для развития органических форм жизни!

А это, в свою очередь, заставило вновь вспомнить о гипотезе зарождения жизни в космосе, которую еще в конце прошлого века выдвинул известный шведский ученый Сванте Аррениус. Он высказал предположение, что споры микроорганизмов рассеяны во всей Вселенной и они являются такой же ее неотъемлемой частью, как звезды, планеты, кометы и другие небесные тела, а также межзвездные пыль и газ.

Правда, он не смог объяснить, как эти споры образовались и как попали на Землю. Теперь стало ясно: их образуют межгалактические облака. Что же касается средств доставки, тут самое время, кажется, вспомнить о «небесных камнях» — тех самых метеоритах, в существование которых 300 лет не верила Парижская академия. А между тем среди небесных посланцев встречаются и не совсем обычные.

«Семена» со звезд. В 60-е годы нашего столетия американский исследователь Дж. Оро из Хьюстонского университета высказал предположение, что на поверхности некоторых «небесных камней» можно найти органические соединения.

Поначалу на эту гипотезу никто не обратил внимания, пока она не была подтверждена экспериментально. На поверхности углистых хондиритов, составляющих около 5 процентов падающих на Землю метеоритов, были обнаружены органические вещества — аминокислоты, спирты и другие соединения.

Сотрудники НАСА К. Занле и Д. Гриспун попробовали выяснить, каким образом органические вещества, бывшие на поверхности тех же комет или метеоритов, сохранялись при воздействии на них высоких температур, возникавших при входе небесного посланца в плотные слои атмосферы.

Во-первых, перегрева можно не опасаться, если «посылка» была покрыта толстым слоем льда, под которым в законсервированном состоянии и находились органические вещества. Во-вторых, они могли уцелеть даже при прямом соударении небесного тела с поверхностью нашей довольно-таки твердой планеты примерно так же, как спасаются пилоты во время аварии самолета. То есть поток воздуха мог срывать эти вещества с поверхности «небесного камня» раньше соударения. Вследствие своих малых размеров эти соединения потом вполне могли плавно парашютировать на поверхность почвы. И, найдя для себя благоприятные условия, пускаться в рост.

Именно так, по мнению англичанина Ф. Хойла и индуса Ч. Викрамисингха, попадают на нашу планету возбудители различных заболеваний. Вот откуда оказываются на нашей Земле все новые и новые, невиданные ранее штаммы вирусов.

Более того, аналогичным образом могли попасть на нашу планету и те зародыши, некогда совершенно безжизненные, из которых потом развились все известные нам формы жизни.

Так полагает всемирно известный ученый, лауреат Нобелевской премии Ф. Крик. Тот самый, который когда-то расшифровал генетический код, указав, что ДНК имеет форму двойной спирали. В своей статье «Семена со звезд» он развивает такую гипотезу.

Некий разум рассылает по всей Вселенной "«посылки» с органическими веществами, которые, попав в надлежащие условия, дают начало новой жизни.

«Самыми подходящими носителями для этого, указывает Крик, — оказались бы бактерии. Их размеры очень малы, поэтому их можно рассеивать в больших количествах. Бактерии остаются жизнеспособными при очень низких температурах, значит, имеют наибольший шанс сохраниться и размножиться в „бульоне“ первичного океана. И видимо, не случайно самые древние ископаемые организмы, которые мы обнаружили до сих пор, принадлежат именно к этой разновидности».

Вот таким образом выясняется, что «посылки» из космоса несут нам не только напасти; некогда они, возможно, занесли на нашу планету самое жизнь.

Новые исследования непосредственного галактического окружения Солнца помогут ученым лучше понять условия, которые благоприятствовали возникновению жизни на Земле. А это позволит уточнить границы распространения жизни в других звездных системах, поможет понять, где искать собратьев по разуму.

По мнению многих биологов, занимающихся проблемами возникновения жизни в планетных системах, вполне возможно, что в зарождении ее какую-то роль играет и окружение планетной системы межпланетным газом. Так, звезды, в своем движении пересекающие спиральные рукава галактик или густые клубы межзвездного газа, по мнению ученых, вряд ли могут иметь планеты со стабильными климатическими условиями. Стало быть, и возникновение жизни на них маловероятно. Зато в спокойных областях галактики, где катаклизмы маловероятны, вполне могут существовать не только планеты, подобные нашей Земле, но и жизнь на них, занесенная из космоса.

…Вот к каким далеко идущим выводам способно привести, казалось бы, сугубо научное открытие обнаружение в межгалактических облаках атомов и молекул-гигантов.