Природу загадочных химических реакций в космосе объяснили с помощью квантовой механики

Учёные уже давно интересуются космической химией. Большинство известных нам химических реакций протекает просто и понятно при комнатной температуре и без вмешательств чего-либо извне. Но в космосе условия совершенно другие, нежели в лаборатории: температура очень низкая, уровень радиации очень высокий и так далее. По идее, при низкой температуре все реакции должны сходить на нет, поскольку энергии, необходимой для изменения химических структур, недостаточно. И всё же, они происходят. Ранее учёные считали, что катализатором в данном процессе выступают песчинки, "обитающие" в облаках межзвёздного газа, но сегодня появилась новая гипотеза.

Предполагалось, что эти самые песчинки выступают чем-то вроде военного лагеря для молекул, которые собираются на их твёрдой поверхности прежде чем вступить в реакцию. Однако в 2012 году в молекулярном облаке Персея (примерно 600 световых лет от Земли) была обнаружена реакционно-способная молекула метоксильного радикала (метокси-радикала), которая никак не могла сформироваться вышеописанным способом.

Лабораторные эксперименты показали, что при воздействии радиации на ледяную метаноловую смесь, метокси-радикалы не высвобождались вместе с газовыми испарениями. Как выяснилось, в химической реакции были задействованы не процессы, протекающие на поверхности космических песчинок, а воздействие метанолового газа на производство метокси-радикалов. В таком случае встаёт вопрос: как же реагируют газы при таких низких температурах?

"Ответ мы найдём в квантовой механике", — заявил ведущий автор исследования Дуэйн Хёрд (Dwayne Heard), глава Школы химии при университете Лидса.

"При низких температурах химические реакции протекают медленнее, поскольку в запасе есть гораздо меньше энергии для преодоления так называемого реакционного барьера. Но согласно квантовой механике, можно проскочить через этот барьер, не преодолевая его. Это называется туннельный эффект", — поясняет учёный.

Чтобы имел место туннельный эффект, необходимы очень низкие температуры, которые наблюдаются в межзвёздном пространстве и атмосферах некоторых далёких от звёзд небесных тел — к примеру, Титана, крупнейшего естественного спутника Сатурна. "Мы считаем, что промежуточный продукт реакции образуется на её первых стадиях протекания. Он сохраняется в течение очень короткого периода времени, достаточного лишь для туннельного эффекта при крайне низких температурах", — говорит Хёрд.

Чтобы подтвердить свою гипотезу о квантовой природе космических химических реакций, исследователи провели лабораторный эксперимент. Они воссоздали температуру межзвёздного пространства, которая составляет 210 градусов по Цельсию ниже нуля. При этой температуре они спровоцировали реакцию между спиртом метанолом и гидроксильным радикалом. Результат эксперимента удивил химиков: реакция между этими газами не только произвела метокси-радикалы, но и произошла в 50 раз быстрее при -210 градусах по Цельсию, чем при комнатной температуре.

Чтобы достичь таких результатов, исследователям необходимо было создать принципиально новую экспериментальную установку. "Дело в том, что газы конденсируются сразу же после того, как соприкасается с холодной поверхностью. Поэтому мы создали коллимированные потоки газа, которые вступают в реакцию, не соприкасаясь с поверхностью. Эту технологию мы подсмотрели в ракетах-носителях "Сатурн-5"", — рассказывает Робин Шеннон (Robin Shannon), ответственный за проведение экспериментов.

Данное исследование является очередным подтверждением того, что космическое пространство есть своего рода квантово-механическая лаборатория. Все химические эксперименты, проведённые на Земле, показывали, что чем ниже температура, тем медленнее протекает реакция, но в космосе всё оказалось с точностью до наоборот. Это означает, что природу космического пространства вряд ли правильно будет описывать с помощью привычных нам законов химии и физики. Следует изучать его отдельно.

Хёрд и его коллеги уже сообщили о результатах своего исследования в журнале Nature Chemistry, где недавно вышла их научная статья.

На данный момент в том же составе команда химиков занимается изучением реакций между другими спиртами при низких температурах. "Если результаты наших дальнейших экспериментов покажут похожую скорость реакции, что и в первый раз, это будет означать, что учёные крайне недооценивали скорость образования комплексных молекул, таких как молекулы спирта, в космическом пространстве", — заключает Хёрд.