Молекулы, входящие в состав межзвездных пылинок

Выше были приведены сведения о молекулах, находящихся в газовой компоненте межзвездной среды. Однозначное отождествление молекул, входящих в состав межзвездных пылинок, крайне затруднено. Тем не менее, простейшие соединения отождествить можно. На рис. 5 показан инфракрасный спектр одной из областей звездообразования в нашей Галактике, в котором на фоне непрерывного теплового излучения протозвезды видны многочисленные широкие полосы поглощения. Многие из них удалось отождествить (см. рис. 5 и табл. 5), хотя не все отождествления являются однозначными. Образуются ИК полосы при фотовозбуждении колебательных степеней свободы молекул, из которых состоят пылевые частицы.

Часть ИК полос обычно связывают с плоскими молекулами полициклических ароматических углеводородов (ПАУ, английская аббревиатура РАН) (Allamandola et al., 1989). Определить, какие именно соединения этого типа дают основной вклад в образование наблюдаемых полос, не представляется возможным. Это видно на рис. 6, в верхней части которого показаны профили двух эмиссионных ИК полос, наблюдаемых в спектре туманности Ориона. Ниже для тех же участков спектра указаны положения полос поглощения различных молекул ПАУ. Добиться однозначного отождествления здесь невозможно.

В отличие от одиночного бензольного кольца, которое очень легко разрушается УФ излучением, молекулы ПАУ, состоящие из большого количества бензольных колец, гораздо более устойчивы к УФ излучению и не разрушаются даже тогда, когда из молекулы вырван один из электронов. Молекулы ПАУ могут образовываться в оттекающих околозвездных оболочках углеродных звезд — тех, в атмосферах которых содержание углерода больше, чем кислорода (по числу атомов). Возможно, наиболее мелкие межзвездные пылинки — нано-частицы размером —1.5-2 нм, представляют собой именно молекулы этого типа.

Рис. 6. Профили эмиссионных ИК полос, наблюдаемых в спектре излучения области звездообразования в созвездии Ориона (вверху), и сопоставление их колебательными спектрами трех молекул полициклических ароматических углеводородов (ПАУ — указаны вертикальными линиями, длины которых пропорциональны интенсивностям линий) с целью возможного отождествления ИК полос (AMamandolaetal., 1989). Указаны названия и структурные схемы молекул. Слева показан участок спектра 3.2-3.7 мкм, справа — от 5 до 13 мкм. На нижних шкалах приведены длины волн в микронах, сверху — частоты в см^-1.

Вы не так давно вступили во взрослую жизнь, но уже столкнулись с одной очень серьезной проблемой – работодатели отказываются принимать вас в серьез без внушительного стажа за плечами. Но не отчаивайтесь: Вы всегда можете вбить в поисковую строку Яндекса запрос: “Купить стаж” и попасть на сайт www.2-ndfl.com, который поможет Вам обзавестись достаточным количеством стажа для поступления на работу вашей мечты.

Основные компоненты межзвездной среды (МЗС)

Подавляющая часть объема Галактики и других галактик занята межзвездной средой -материей, заполняющей пространство между звездами внутри галактик. Именно из межзвездной среды рождаются звезды и окружающие их протопланетные диски, а затем планетные системы. Причем на ранних стадиях образования звезд и протопланетных дисков молекулярный состав вещества сохраняется таким, каким он был в наиболее холодных участках межзвездной среды, из которых образуются протозвезды.

Основные компоненты межзвездной среды приведены в табл. 3. Заметим, что все эти компоненты существуют не сами по себе, а любая их пара взаимосвязана, причем в большинстве случаев взаимодействие сильное. Поскольку в межзвездной среде осуществляется примерное равенство плотности энергии движений газа (кинетической энергии), магнитного поля и заряженных частиц (космических лучей), межзвездная среда представляет собой очень сложно структурированный, динамичный объект (см., напр., Бочкарев, 1985).

Таблица 3. Основные компоненты межзвездной среды

Дефицит тяжелых элементов в межзвездном газе

Содержание элементов в газовой фазе межзвездной среды заметно отличается от указанной в табл. 2 средней распространенности: наблюдается дефицит тяжелых элементов, достигающий для Fe, Ni, Ti, Са, AI трех порядков величины. На рис. 1 видно, что величина дефицита зависит от температуры Т_с его конденсации, т. е. перехода из газообразной в твердую фазу с образованием межзвездных пылинок.

Рис. 1. Зависимость дефицита элементов в межзвездном газе от температуры их конденсации Т. (образования пыли). Высоты баров указывают на степень неопределенности данных. По вертикальной оси отложен десятичный логарифм относительного содержания элементов (по отношению к водороду), отнесенный к соответствующей величине в солнечной фотосфере.

Поэтому величина дефицита элементов в газе дает информацию о составе межзвездной пыли. Суммарный дефицит тяжелых элементов в газовой фазе составляет ~1 % массы газа, что соответствует доли массы межзвездной пыли в межзвездной среде (табл. 3).

Наблюдения молекул

Межзвездное пространство пронизано ультрафиолетовым излучением горячих звезд. Поэтому в незащищенных от ультрафиолетового излучения областях межзвездной среды молекулы быстро разрушаются, так что их равновесное содержание очень мало. Поэтому в большом количестве молекулы присутствуют только в молекулярных облаках. Молекулярные облака — это плотные участки межзвездной среды, в которых пылинки, равномерно перемешенные с газом, ослабляют ультрафиолетовое излучение горячих звезд в тысячи, миллионы и более раз. Однако концентрация частиц газа в этих «плотных» участках составляет всего лишь ~10³ см ³ (плотность ~10^-21 г/см³). Такие участки межзвездной среды являются наиболее холодными. Их температура обычно составляет 10-30 К. Именно в такой «криогенной», разреженной космической среде находится большинство космических молекул.

В основном наблюдается собственное излучение молекул. При столь низких температурах тепловое излучение вещества имеет место только в радио- и субмиллиметровом спектральных диапазонах. Но как раз в эти спектральные диапазоны попадает огромное количество молекулярных линий, прежде всего вращательных переходов (рис. 2). При температурах 10-100 К молекулы не создают молекулярные полосы, содержащие большое количество спектральных линий. Их спектры просты. Специфика используемых астрономами в этих диапазонах радиофизических методов измерения позволяет реализовывать очень высокое спектральное разрешение λ/∆ λ =10⁶-10⁸. Это дает возможность не только однозначно отождествлять по набору спектральных линий молекулы и молекулярные ионы, но и легко различать их изотопические варианты. Из радиоспектров удается извлекать разнообразную информацию: распределение содержания различных молекул и молекулярных ионов внутри молекулярных облаков; распределение температуры и плотности вещества в них; детально изучать движения газа в разных местах облака (см., напр., Бочкарёв, 2009). Все это позволяет подробно исследовать области звездообразования и изучать процессы, приводящие к рождению звезд.

В табл. 4 приведен список надежно отождествленных к концу 2000 г. 126 различных молекул и молекулярных ионов в межзвездном газе, в околозвездных оболочках и кометах. Видно, что преобладают углеродосодержащие, предбиологические соединения. В основном наблюдаются линейные молекулы, хотя есть и кольцевые типа С₃. Самые длинные из обнаруженных молекул — цианополиины до HC₁₁N, включительно.

Рис. 2. Характерный вид спектра излучения молекулярного облака в коротковолновой части радиодиапазона. Показан участок спектра от 1.14 мм до 1.45 мм (207-263 ГГц), содержащий около 900 молекулярных линий, в основном соответствующих вращательным переходам тяжелых молекул. Такие спектры дают возможность разнообразной диагностики молекулярных облаков: распределения внутри облака содержания молекул, кинематики движений, температуры и плотности газа.

После 2000 г. была открыта группа отрицательных молекулярных ионов: С₄Н^—, С₆Н^—, С₈Н^—. Обнаружены новые сложные молекулы, в том числе CH₂CCHCN, CH₃CCCN, CH₃C₅N, CH₃C₆N и ряд более простых молекул.

Как и цианополиины, эти молекулы говорят о том, что в межзвездной среде имеются длинные углеродные цепочки. Однако обнаружить их можно только тогда, когда к одному концу углеродной цепочки прикрепляется какой-нибудь атом или ион, либо к обоим концам присоединяются разные атомы, как в цианополиинах. В этих случаях дипольные моменты молекул становятся отличными от нуля и молекулы оказываются способны интенсивно излучать в радиолиниях.

Двухатомные симметричные молекулы, такие как Н₂, N₂ , O₂, образуются в молекулярных облаках в большом количестве, но наблюдать их очень трудно. Нулевой дипольный момент приводит к отсутствию у них разрешенных спектральных линий. Это исключает их изучения методами радиоастрономии. Другая возможность — это поиск в спектрах звезд, наблюдаемых сквозь молекулярные облака, межзвездных линий поглощения таких молекул, возникающих при электронных переходах. Однако холодный газ молекулярных облаков способен создать только слабые линии поглощения, лежащие за редким исключением в далекой части ультрафиолетового (УФ) диапазона (длины волн около 1000 А), там, где очень велико поглощения света межзвездной пылью. Реально провести такие наблюдения удалось в основном для молекулярного водорода и для молекул С₂. Последние имеют подходящий электронный переход вблизи 1 мкм, где пыль поглощает слабо.

Из вышесказанного следует, что, если какая-либо молекула не наблюдается, еще не означает, что она не образуется или отсутствует в МЗС. Надо проверять возможность ее наблюдать. Во многих случаях целесообразно привлекать численное моделирование химических процессов в меж-

Таблица 4. Список 126 молекул, обнаруженных к ноябрю 2000 г. в газовой фазе в межзвездном, околозвездном и кометном веществе

В левой колонке указано число атомов в молекуле. Буквой «с» отмечены циклические молекулы, буквой «l» — линейные.

При таком моделировании также возникает немало проблем. Обсуждение вопросов, связанных с межзвездной химией, можно найти в работах автора (Бочкарёв, 2009) и других исследователей (Каплан, Пикельнер, 1979; Далгарно, 1979, 1986; Tielens, 2005; Lemaire, Combes, 2007).

Многие молекулы обнаружены в сотнях и тысячах различных объектов, хотя большинство других удалось пока наблюдать лишь в нескольких наиболее изученных молекулярных облаках. Чувствительность современных радиоастрономических измерений позволяет изучать молекулы не только в нашей Галактике, но и в других галактиках. В настоящее время в других галактиках найдено около 50 различных молекул. Наша Галактика не уникальна по количеству межзвездного вещества в молекулярной форме. Есть галактики, у которых доля массы, приходящаяся на молекулы, как заметно больше, так и значительно меньше, чем в Галактике.

На рис. 3 приведена схема строения молекулярного облака. Показано, что УФ излучение звезд проникает в облако и постепенно ослабляется (UV на рис. 3).

Рис. 3. Схема строения молекулярного облака

Рис. 4. Относительные содержания молекул в молекулярных облаках.

Для каждой из молекул, перечисленных в нижней части рисунка, приведены десятичные логарифмы содержаний молекул относительно Н₂ (по числу молекул) в четырех хорошо изученных молекулярных облаках. Названия облаков указаны в правой верхней части рисунка.

По мере ослабления этого излучения по направлению к центру облака падает температура и растет плотность вещества. Положительно заряженные атомарные и молекулярные ионы постепенно сменяются нейтральными атомами и молекулами. От гравитационного коллапса облако удерживают внутренние движения и магнитные поля. Тем не менее, отдельные сгустки молекулярного облака способны превращаться в звезды. Молодые маломассивные звезды типа Т Тельца (схематически показаны в центре рисунка) своим излучением вызывают подогрев внутренних частей молекулярного облака, поддерживают «энергетику» химических реакций и сбрасывают часть молекул, намерзших на пылинки, в газовую фазу.

Относительные содержания молекул в четырех молекулярных облаках показано на рис. 4. Они сравнительно мало меняются от облака к облаку. Естественно, наиболее велико содержание молекулярного водорода Н₂. Но эта молекула трудна для наблюдения, поскольку не имеет дипольного момента и, соответственно, сильных спектральных линий. Второе место занимают молекулы угарного газа СО. С точностью до ошибок измерений во всех облаках количество молекул СО составляет – 10^-4 числа молекул Н₂. Молекула СО легко наблюдается по сильным и удобным для измерений эмиссионным (реже абсорбционным) вращательным радиолиниям λ = 2.6 мм и λ = 1.3 мм, принадлежащим 5 изотопическим вариантам этой молекулы. Содержание более сложных молекул мало зависит от их сложности и колеблется в пределах 10^-7 – 10^-9 количества молекул Н₂.

Рис. 5. ИК полосы — источник информации о молекулах, из которых состоят межзвездные пылинки. По горизонтальной оси — длины волн в микронах; по вертикальной оси — спектральные плотности потоков излучения в янских (1 Ян = 10^-23 Вт/м² Гц) от области звездообразования W33A. Указаны отождествления полос поглощения. Символом X обозначен неоднозначно определяемый фрагмент молекулы.

Таблица 5. Инфракрасные полосы в спектрах межзвездной пыли и образующие их вещества

Тугоплавкие составляющие

Льды

Приведены длины волн полос в микронах. Для льдов также указаны типы колебаний молекул, ответственных за образование полос. Символом X обозначен неоднозначно определяемый фрагмент молекулы.

На сайте ca.skbkontur.ru Вы сможете заказать нескольких типов электронных цифровых подписей, которые позволят вам принимать участие в: торгах по продаже имущества банкротов, госзаказах, имущественных торгах или самостоятельно торговать на всех доступных площадках.

Космологическая эволюция и космическая распространенность химических элементов

Вопрос о том, какие молекулы могут образовываться, определяется не только физическими условиями и химическими свойствами веществ, но и тем, какое их количество содержится в космическом веществе. Содержание химических элементов в космосе определяется эволюцией окружающего нас мира — Вселенной, и несет в себе информацию об этой эволюции.

Вселенная образовалась около 15 млрд. лет назад в результате Большого взрыва. Ядра атомов водорода и гелия возникли в первые минуты расширения Вселенной. Сотни тысяч лет спустя вещество остыло до температуры, когда атомы Н и Не стали нейтральными. Углеродом и следующими за ним в периодической системе химическими элементами (часто называемыми в отличие от Н и Не тяжелыми элементами или металлами) космическое вещество начало обогащаться на миллиард лет позже, когда во Вселенной сформировались первые звезды. Они были массивными, короткоживущими (<10 млн. лет) и до наших дней не сохранились. В конце своей эволюции они выбросили в окружающий газ продукты происходившего внутри них термоядерного горения — углерод и более тяжелые элементы.

Около 12-13 млрд. лет назад, когда содержание тяжелых элементов достигло уровня ~10^-4-10^-5 от современного, образовались самые старые из наблюдаемых сейчас звезд и содержащие их галактики (включая нашу Галактику). По мере завершения своей эволюции эти звезды продолжали обогащать межзвездный газ внутри галактик тяжелыми элементами. Чем меньше масса звезды, тем медленнее она эволюционирует и тем дольше живет.

Последующие поколения звезд формировались из межзвездного вещества с все большим содержанием тяжелых элементов по отношению к водороду и гелию. Солнце родилось около 5 млрд. лет назад из межзвездного вещества, 2 % массы которого составляли химические элементы тяжелее гелия. Сейчас межзвездное вещество, сосредоточенное в основном в диске нашей Галактики (наблюдаемом как Млечный путь), содержит около 4 % тяжелых элементов, т. е. вдвое больше, чем при образовании Солнца.

В межзвездной среде Галактики наблюдаются сравнительно небольшие вариации содержания углерода и более тяжелых элементов, по-видимому, не превышающие примерно 3-4 раз. Основная доля объема Галактики и других галактик, как и большинство астрономических объектов в галактиках (кроме старых звезд), а также вне галактик, имеют более или менее универсальное содержание элементов, характерное для атмосферы Солнца. Относительное содержание наиболее распространенных элементов (по числу атомов, а не в долях массы) представлено в табл. 1. Содержание элементов тяжелее железа мало, < 10^-5 по числу атомов.

Из старых звезд к настоящему времени не успели завершить эволюцию лишь звезды с массами менее ~0.8 массы Солнца. Элементный состав их атмосфер не изменился, т. е. содержание углерода, кислорода и других элементов в атмосферах старых звезд очень мало.

Исследование экзосолнечных планет указывает, что для образования планет необходимо достаточно высокое содержание тяжелых элементов. У звезд, содержащих примерно втрое меньше тяжелых элементов, чем на Солнце, пока планеты не обнаружены. Заметим, что в атмосферах небольшой части звезд, более горячих, чем Солнце, имеются сильные отклонения содержания отдельных элементов от средней космической распространенности, прежде всего, избытки редких элементов — бария, ртути, лантанидов. Хотя эти избытки могут достигать 5 и даже иногда 6 порядков величины, они, по-видимому, не представляют интереса для темы данного обзора. После исчерпания ядерного топлива звезды сбрасывают значительную часть своей массы либо плавно, создавая околозвездные оболочки и так называемые планетарные туманности (название историческое, к планетам отношения не имеет), либо при взрыве звезды, наблюдаемой как явление сверхновой звезды. Центральная часть заканчивающей свою эволюцию звезды превращается в очень плотный объект: белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру. Сброшенное вещество содержит продукты ядерной переработки, т. е. обогащено тяжелыми элементами, и пополняет ими межзвездную среду в галактиках. Обогащение элементами группы железа и более тяжелыми происходит практически только при взрывах сверхновых.

Звезды около 90 % времени своей эволюции проводят на стадии главной последовательности, когда в их недрах идут ядерные реакции горения водорода и образования гелия. После исчерпания в ядре звезды водородного топлива ядро сжимается, а внешние части звезды расширяются. Диаметр звезды возрастает во много раз, а температура поверхности падает — звезда становится красным гигантом или сверхгигантом с температурой поверхности Т < 4000 К. Этот этап занимает около 10 % всего времени активной жизни звезды — пока в ее недрах происходят экзотермические ядерные реакции (ядерная эволюция). В ядрах красных гигантов и сверхгигантов гелий превращается в углерод и более тяжелые элементы (иногда вплоть до железа). Преимущественно образуются четно-четные изотопы (см. примечание к табл. 1).

Тем временем внешние части звезды медленно (со скоростью ~10-50 км/с) разлетаются, создавая охлаждающуюся при расширении околозвездную оболочку — идеальное место для интенсивного образования как сложных молекул (в том числе, вероятно, фуллеренов С₆₀ и др.), а также формирования наночастиц — тугоплавких зерен размером примерно до 100 нм.

Таблица 1. «Нормальное» содержание элементов в космическом веществе по числу атомов относительно водорода, соответствующее составу атмосферы Солнца

В природе преобладают четно-четные изотопы четных элементов: ¹²С, ¹⁶O,²⁰Ne, ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S, …, ⁵⁶Fe …

Расширение околозвездных оболочек приводит к выносу молекул и пылинок в окружающую межзвездную среду.

При догорании гелия ядро одиночной звезды (не являющейся компонентом тесной двойной звездной системы) с массой меньше ~10 масс Солнца сжимается, превращаясь в горячий белый карлик. Часть образованных в ядре тяжелых элементов выносится расширяющейся оболочкой в межзвездную среду.

Эволюция более массивных звезд и некоторых маломассивных двойных звездных систем завершается мощным взрывом и образованием нейтронных звезд и черных дыр. Взрыв, наблюдаемый как явление сверхновой звезды, сопровождается образованием всех элементов тяжелее железа вплоть до трансурановых и выносом их ударной волной наружу в межзвездное пространство.

Из обогащенного тяжелыми элементами межзвездного газа рождается новое поколение звезд. Такой круговорот вещества в галактиках приводит к постепенному обогащению Вселенной элементами тяжелее гелия.

Поскольку звезды образуются не поодиночке, а группами (скоплениями, ассоциациями, комплексами) в так называемых очагах звездообразования, наиболее массивные из родившихся совместно звезд успевают взорваться как сверхновые и «запачкать продуктами своей жизнедеятельности» протопланетные диски близлежащих звезд солнечной массы и менее массивных. Вероятно, такому воздействию подверглась на ранних этапах своего развития Солнечная система.

Обсуждавшаяся на совещании интенсивная астероидная бомбардировка «молодой» Земли могла произойти в результате прохождения одной из звезд вблизи Солнечной системы. Вероятно, это была одна из звезд, родившихся одновременно с Солнцем в том же очаге звездообразования.

МОЛЕКУЛЫ И ИХ МИГРАЦИЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ

©2009 г. Н.Г. Бочкарёв

Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ

В статье кратко описан набор молекул, наблюдаемых в различных астрономических объектах (исключая планеты Солнечной системы и их спутники), главным образом, в межзвездной среде. Рассмотрены различные механизмы пространственной миграции молекул с переносом молекулярных соединений от одной планетной (протопланетной) системы к другой. Показано, что за космологическое время перенос молекул возможен на расстояния до 100 млн. световых лет. Кратко обсуждена гипотеза Ф. Хойла и Ч. Викрамасинга о биологической природе некоторых межзвездных пылинок.

ВВЕДЕНИЕ

Астрономы обычно рассматривают научные проблемы с самых широких позиций. Проблема происхождения жизни — не исключение. Оказалось, что многие особенности строения Вселенной и физических законов, которые в ней реализуются, могут быть объяснены так называемым «антропным принципом», согласно которому мы видим Вселенную именно такой, какая она есть, потому что будь она другой, ее, возможно, некому было бы видеть. И это не просто слова, а достаточно подробные исследования того, каковы должны быть физические законы, чтобы смогли сформироваться и быть устойчивыми атомы, молекулы, звезды и другие структуры во Вселенной, необходимые для появления и развития жизни [см., напр., книгу И.Л. Розенталя (1984)]. Для этого, например, нужно, чтобы пространство было трехмерным, а время одномерным. Жизнь на углеродной основе была бы невозможна, если бы энергия резонанса ядерной реакции образования углерода путем слияния трех альфа-частиц (3х⁴Не → ¹²С) отличалась от существующего значения всего на миллиардные доли своей величины. В этом случае в природе практически не было бы углерода.

В междисциплинарной кооперации с самых широких позиций обсуждаются возможности существования иных форм жизни, вопросы о том, на каких астрономических объектах могут быть условия, подходящие для жизни вообще и для образования высших форм жизни. Рассматриваются возможные пути эволюции внеземных цивилизаций, их поиска (SETI — Search for Extraterrestrial Intelligence) и связи с ними (CETI — Communication with Extraterrestrial Intelligence), см. монографии И.С. Шкловского (1987), Д. Голдсмита и Т. Оуэна (1983), Л.М. Гиндилиса (2004). Для обсуждения этого круга вопросов в Международном астрономическом союзе, объединяющем около половины всех профессиональных астрономов мира, была создана комиссия № 51 по биоастрономии. В мире работают несколько научных учреждений этого профиля. Однако в целом эта тематика пока составляет очень малую часть астрономических исследований.

Совещание «Проблемы происхождения жизни» рассматривало более узкую проблему -происхождение земной жизни. Успехи палеонтологии показывают, что одноклеточные организмы появились на Земле около 4 млрд. лет назад, по-видимому, в течение всего ~100 млн. лет, что может оказаться недостаточным для возникновения столь сложных образований. Это привело к возрождению интереса к гипотезе панспермии — занесения на Землю жизни из космоса. Хотя эта гипотеза не решает проблемы происхождения жизни, она облегчает ее, увеличивая количество потенциальных мест зарождения жизни во много раз. Из каких мест и как возможен перенос жизни — это вопрос в основном к астрономам. В настоящее время еще невозможно делать надежные оценки и приходится ограничиваться в основном качественными суждениями.

Оргкомитет совещания просил рассказать о молекулах в космосе и возможных путях миграции сложных молекул во Вселенной. Ниже эта проблема освещена максимально широко, хотя, возможно, не все излагаемые вопросы будут немедленно востребованы участниками совещания. Мы не будем касаться образования и миграции молекул в пределах Солнечной системы, в том числе во время ее формирования из протопланетного диска, так как эти вопросы освещены в других докладах.

МОЛЕКУЛЫ В КОСМОСЕ: космические объекты, в которых обнаружены или могут существовать молекулы

В табл. 1 приведен набор космических объектов и типы среды, в которых изучаются молекулы. Знаком «+» указано, что молекулы изучаются (наблюдаются или хотя бы предсказаны теоретически); «(+)» — можно ожидать молекулы. Здесь границы фаз — это преимущественно поверхности пылевых частиц, а также границы между твердой (или жидкой) поверхностью небесного тела и его атмосферой. Твердое тело — тело планеты или иного космического объекта, включая кору нейтронных звезд, а также пылевые частицы.

Жидкая фаза известна лишь на Земле и нескольких спутниках планет. Марс также хранит следы жидкой фазы, но там она, по-видимому, исчезла, по крайней мере, 2-3 млрд. лет назад. Не исключена возможность того, что жидкая вода могла или даже может сейчас присутствовать во внутренних частях наиболее крупных кометных ядер (Цицин, Чепурова, 2003), а также ледяных астероидов, найденных во внешнем поясе астероидов — поясе Койпера. Предполагается, источником нагрева служит распад радиоактивных изотопов.

За пределами Земли, ее атмосферы, Луны, а также метеоритов пока не удалось отождествить молекулы, содержащие более 13 атомов, хотя имеются косвенные признаки существования более сложных соединений, содержащих примерно от 20 до 60, а возможно, и больше атомов.

Таблица 1. Объекты и типы среды, в которых изучаются молекулы (Бочкарёв, 2006)

BD — коричневые карлики; МЗС — межзвездная среда; AGN, QSO — активные ядра галактик, квазары; WR — звезды Вольфа-Райе; N — новые звезды; SN — сверхновые звезды; Of — горячие звезды высокой светимости с сильным истечением вещества (звездным ветром); G, К, М — спектральные классы звезд.

Где можно ожидать присутствие сложных молекул?

Ниже перечислены виды объектов, на которых обнаружено или может ожидаться присутствие сложных молекул (в том числе углеродосодержащих). Планеты и их спутники, имеющие атмосферу;

• Ядра комет и ледяные астероиды;

• Астероиды и метеоритные тела типа углистых хондритов;

• Протозвездные, околозвездные и протопланетные диски; Околозвездные оболочки вокруг холодных звезд с интенсивным истечением вещества;

• Газовая и конденсированная (пылевая) компоненты молекулярных облаков; Межзвездные пылинки;

• Атмосферы наиболее холодных звезд:

— остывших до Т = 300-500 К белых карликов;

— холодных нейтронных звезд (?).

Белые карлики и нейтронные звезды являются заключительными этапами ядерной эволюции звезд. Они рождаются горячими, но не имеют источников нагрева и со временем остывают, становясь трудно обнаружимыми. Поэтому компактные звезды этих типов, достаточно холодные для образования на них сложных молекул, пока не найдены, хотя их должно быть много.

Не хотите отнимать у своего ребенка веру в чудеса, тогда заказ деда мороза на дом на сайте www.red-nose.ru и будьте уверены, что эти новогодние праздники станут для вашего малыша настоящим путешествием в мир сказки.

Дискуссия по пленарному докладу В.Н. Снытникова «АСТРОКАТАЛИЗ — АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ И ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НА ДОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭТАПАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ»

Председательствующий А.Ю. Розанов

В.А. Царёв: Мне кажется очень привлекательной идея космического происхождения жизни. Вы в качестве исходного объекта принимаете газово-пылевое облако, в котором есть гранулы и прочее.

В.Н.С.: Исходным считается протопланетный аккреционный диск на стадии примерно от полумиллиона до миллиона лет, когда протозвезда еще набирает массу.

В.А. Царёв: Мое замечание сводится к следующему. Надо начинать с облака, оно обладает гравитационной устойчивостью, чтобы оно превратилось в диск, его надо встряхнуть. Такая встряска достигается при взрыве сверхновой в относительной близости. Мне кажется, стоит привлечь эту стадию в Вашу модель, потому что Вы одновременно получите еще одну вещь — при взрыве сверхновой испускается большое число нейтронов, нейтроны распадаются, возникает поток поляризованных электронов, которые облучают протосолнечное облако, действуя вместе с ударной волной, тем самым можно получить хиральную асимметрию первичной органики.

В.Н.С.: Вот что здесь мне не совсем нравится. Характерные времена в наших моделях связаны с временами протекания химических реакций, это очень короткие времена (от нескольких часов!) по сравнению с теми интервалами, которыми оперируют большинство астрофизиков. Это времена нескольких десятков оборотов. За это время проходится стадия от размеров частиц порядка сантиметра до тел величиной несколько километров и более. Времена у нас очень маленькие.

В.А. Царёв: Но радиационный фактор действует практически мгновенно, электроны летят со скоростью света.

В.Н.С.: Да, но времени-то прошло уже почти миллион лет с момента взрыва сверхновой, который дал толчок для формирования Солнечной системы.

В.А. Царёв: Тогда есть вторая возможность — это облако, в котором уже есть органика, и оно готово распасться на глыбы, оно еще облучается взрывом другой сверхновой — они же происходят время от времени в Галактике. Иначе не решается вопрос с хиральностью.

В.И.С: Может быть…

Н.Л. Добрецов: Вашу модель нужно верифицировать. Верификация всех таких моделей проводится на материале метеоритов. Пытались ли Вы как-то это сделать? По метеоритам получается, что в центре облака был чистый газ, по периферии — только пыль, в пограничной области — смесь пыли и газа. Ваша модель должна соответствовать данным по метеоритам. Ничего другого, кроме метеоритов, у нас нет.

В.Н.С.: То, о чем Вы говорите — это одна из более поздних стадий существования протопланетного диска. Стадия, которую мы рассматриваем — примерно от первого полумиллиона лет до одного миллиона лет. В это время есть еще и газ, и твердое вещество, они вместе, газ является носителем, который несет твердое вещество в центр. Это все — еще до метеоритов.

Н.Л. Добрецов: Бомбардировка космическими телами древней Земли продолжалась около 600 миллионов лет, Луна образовалась от удара гигантского метеорита, часть Земли была уничтожена, там ничего первичного не осталось. Вот когда бомбардировка кончилась четыре миллиарда лет назад, тогда и жизнь зародилась. Затем, Вы не объясняете возникновение полинуклеотидов, а более примитивная органика не так существенна. Поэтому Ваша модель мне кажется настолько упрощенной, что ее трудно куда-либо применить.

В.Н.С.: Я все время подчеркиваю, что ее можно применить только там, где она применима — на стадии, когда происходит накопление органического вещества.

Н.Л. Добрецов: Но как ее можно верифицировать, где найти остатки того, что в это время образовалось? Вы говорите, метеориты не подходят. Между тем, 99.9 процентов метеоритов имеет один возраст — 4.56 миллиарда лет.

В.Н.С.: Правильно, он более поздний. Что касается верификации этой модели. Есть огромное количество астрофизических данных — исследование облаков, зарождающихся протозвезд с их дисками, на основе которых можно верифицировать эти модели. Главное — все синтезы произошли в первый миллион лет.

Н.Л. Добрецов: Но почему удлинились нуклеотидные цепочки? Кирпичики — добио-логический синтез — могли возникнуть, а синтез длинных цепочек стал возможен лишь на более поздней стадии, когда появилась вода.

В.Н.С.: Мое утверждение таково — все синтезы произошли быстро.

A. С. Спирин: Без воды не могло быть РНК и ее структур. Никаких молекул нуклеиновых кислот без воды нельзя сделать. Мир РНК в Вашей модели оказался до воды.

B. Н.С.: Я не утверждал, что не было воды до мира РНК. Я сказал, что переход от мира РНК к планете бактерий произошел не тогда, когда появилось немного воды (сухо/чуть влажно), а тогда, когда ее стало огромное количество.

A. С. Спирин: Для мира РНК нужно столько же воды, сколько и для бактерий, а то и больше.

B. Н.С: Можно полагать, что вода была.

A. С. Спирин: Есть еще один момент. Когда Вы рисуете свой «химический завод», это никакого отношения к периоду мира РНК не имеет, потому что там выходы — не одна сотая процента, а девяносто процентов, начиная с появления рибозимов и так далее. Отходов таких нет. Когда начинается биологический синтез, выход повышается до девяноста процентов.

B. Н.С: Поэтому я поставил там вопросы. Я обязательно внесу коррективы.

А.Б. Макалкин: Соотношение углерода в кометах к таковому даже в самых богатых углистых хондритах — пять-десять к одному, то есть метеориты действительно недополучили углерод. Если бы роль органики была так велика, это было бы очень важно для космогонических моделей образования планет, так как там существует проблема быстрого перехода от сантиметровых размеров частиц к размерам планетезималей. В этом переходном интервале размеров уже не работает механизм физического слипания и еще не работает самогравитация планетезималей. Добавление значительного количества органики было бы большим подспорьем для теории образования планет в преодолении этого барьера из-за повышенной адгезионной способности ряда природных органических соединений. Но имеются сомнения в связи с относительно малым содержанием органики в метеоритах по сравнению с кометами.

А.Ю. Розанов (председательствующий): С углистыми хондритами не все так просто.

A. Б. Макалкин: Да, летучая органика в метеоритах могла быть потеряна на более поздних стадиях, во времена ударов крупных тел.

B. Н.С: Это совсем другие времена и совершенно другие процессы.

A. В. Витязев: Какая часть газа собралась в звезды? Должно быть менее одного процента.

B. Н.С: Согласен.

Обратившись в Медицинский Центр Вы сможете продлить медицинскую книжку или, при отсутствии оной, получить ее всего за один день. За более подробной информацией о продлении медицинской книжки обращайтесь на сайт sandoctor.info или по телефону (495) 543-57-06.

Итак — наша основная гипотеза астрокатализа, идея которой возникла довольно давно, в начале 1990-х гг. Первое сообщение о ней на конференции было сделано в 1996 г. (Snytnikov et al., 1996), а основательные публикации вышли в 2007 г. (Снытников, 2007а, б). Гипотеза состоит в том, что абиогенный каталитический синтез органических соединений проходил непосредственно при формировании первичных тел и протопланет при развитии гравитационной коллективной неустойчивости с одновременным объединением многих малых тел. Или, кратко, катализ сформировал планеты. И основные выводы по нашей работе. Если по гипотезе Опарина-Холдейна синтез органических соединений произошел на поверхности Земли, то сейчас стало ясно, что химическая предбиологическая эволюция прошла в допланетной околозвездной среде в первый миллион лет. Эта та цифра, которую хотел услышать от меня А.Ю. Розанов. Зародыши планет формировались в местах каталитического синтеза органических соединений благодаря гравитационным неустойчивостям.

В последовательности этапов возникновения жизни неорганическое вещество с активными каталитическими центрами увеличилось в своих размерах от наночастиц до тел в тысячи километров. Но при этом каталитические неорганические материалы последовательно уступали свое место катализаторам из органических соединений, вплоть до белков и ферментов.

Рис. 11. Тепловая энергия укрупняющихся тел в зависимости от их массы для трех моментов времени. Увеличенное ядро коагуляции в интеграле столкновений.

Неорганическое вещество меняло свою роль и влияние. Место и роль конкретных элементов, формировавших активные каталитические центры, в возникновении жизни, по-видимому, могут быть определены в настоящее время по их воздействию на внутриклеточные реакции в прокариотах и по способности ряда микроорганизмов избирательно концентрировать многие элементы.

Здесь мне необходимо отметить высказанное ранее предположение (Войткевич, 1979, с. 125), что «жизнь на Земле существует столько, сколько существует и сама Земля». Идея, что «химическая эволюция на предпланетной стадии в Космосе и протопланетном облаке заходит так далеко, что жизнь возникает практически сразу после сформирования земноподобной планеты», была отмечена как «наиболее радикальная точка зрения» (Цицин, 1980).

Рис. 12. Происхождение жизни как процесс самоорганизации.

Она почти 30 лет оставалась вне основного внимания исследователей, по-видимому, из-за недостаточного объема естественнонаучных данных, в частности, астрофизических и космохимических, по процессам в «протопланетных облаках».

Итак, происхождение жизни может быть представлено следующими основными этапами (рис. 12). Плотное молекулярное облако с его туннельными реакциями «холодной предыстории жизни» (Гольданский, 1997) предоставляет исходные вещества для образования звезд вместе с их протопланетными дисками. Это первый, физический этап. На втором этапе в околозвездных дисках из высокоактивных веществ синтезировались органические соединения с участием всевозможных по своим свойствам наночастиц. Подчеркну еще раз, что именно в наночастицах состава космической распространенности элементов было представлено все наше земное вещество, вещество планет и тяжелые элементы Солнца. Синтез проходил с преимущественным сохранением в диске высокомолекулярных соединений. Но только если они формировали крупные первичные тела. Обратно, отбор происходил и среди катализаторов по способности синтезировать именно высокомолекулярные соединения. Все низкомолекулярное и легкое вещество потоком водорода и гелия уносилось на протосолнце в термоядерную топку, источник энергии для «химического завода». На этом этапе, по-видимому, появились нуклеотиды, сахара, липиды, белки, тяжелые углеводороды, азотистые основания. Здесь было представлено все, что могло быть синтезировано абиогенным путем. На этом промежутке времени был сформирован первичный «допланетный хемоценоз». Его состав менялся во времени и в зависимости от расстояния от протозвезды. Большое влияние на состав оказывали температуры плавления, испарения и тому подобные свойства соединений. Общую эффективность синтезов на стадии допланетного хемоценоза по отношению к выходу сложных соединений из первичной органики, скорее всего, следует оставить в 0.01 %. Первичная масса вместе с водородом и гелием — масса Солнца. Характерные времена существования этих синтезов — сотни тысяч лет. По-видимому, кометы могут нести нам информацию об этапе «допланетного хемоценоза» на своих расстояниях от Солнца.

Следующий этап — формирование из первичных крупных тел зародышей планет. Это происходит при высоких давлениях в сгустках, в этих обнаруженных нами реакторах с кипящими метровыми зернами катализатора. На этом этапе среди всех возникающих реакторов есть такие, в которых происходит переход от «допланетного хемоценоза» к «миру РНК».

«Мир РНК» может появиться в умеренных по температурам условиях и, следовательно, на вполне определенных удалениях от протозвезды. Умеренные температуры — это диапазон от замерзания воды до ее испарения. И в этих условиях периодические увлажнение и высыхание поверхности тел становятся просто неизбежными. Отбор среди реакторов по температурным условиям, по активности катализаторов для дальнейшего усложнения органических молекул (по способности их полимеризовать), образовать километровые планетезимали и зародыши планет, а вместе с тем и перейти к «миру РНК», также можно оценить в 0.01 % по массе вещества. Этот этап самый быстрый, масштаба нескольких лет для одного реактора уединенной волны, иными словами, самогравитирующего сгустка вещества. Помимо сгустков, вещества в околозвездном диске еще много, не на одну планету. Вне сгустков, реакторов уединенной волны, «допланетный хемоценоз» эволюционирует в сторону преимущественно деструкции органических соединений, возможное свидетельство о которой и, возможно, об исходном составе первичного вещества находится в углистых хондритах. Методически, с точки зрения разделения труда, на этом этапе мы передаем свои данные по абиогенному синтезу исследователям «мира РНК». В этом месте у нас возникает совпадение с данными А.С. Спирина о необходимости интенсивного обмена тел с периодически высыхающей поверхностью. Возможные свидетельства этого этапа, кроме углистых хондритов, могут находиться в наименее плотных астероидах и спутниках планет (Маров и др., 2008; Адушкин и др., 2008).

Переход от «мира РНК» к сообществу простейших одноклеточных организмов нами не рассматривается. Но я возьму на себя смелость высказать, с использованием звучавшей в зале на совещании терминологии, «экстремистское» или, как говорили 30 лет назад, «радикальное» предположение. Оно состоит в том, что в какой-то момент времени из-за своей конденсации жидкая вода стала постоянно присутствовать на поверхности некоторых планетезималей и протопланет. И именно жидкая вода стала той причиной, по которой из всего богатства «мира РНК» оказались отобраны те соединения, которые в своей совокупности, сформировав оболочку — мембрану, смогли противостоять такому крайне разрушительному реагенту как вода. Все остальное богатство «мира РНК» погибло. А вот что осталось, то получило толчок к дальнейшему формированию сообществ одноклеточных организмов (биоценозов), способных использовать воду и выживать в новых катастрофических и других изменениях среды обитания с капельно-жидкой водой. Все отходы оказались отправлены в космос, Юпитер и Сатурн как «в третьи и развивающиеся страны», и в топку на Солнце. И если прав А.Ю. Розанов (Герасименко и др., 1999) относительно биоморфных микроструктур в метеоритах с возрастом 4.56 млрд. лет, то первичный биоценоз возник и существовал именно на допланетной стадии. Этот биоценоз перешел к «планете бактерий», естественно, с большими потерями органического вещества, большая часть которого подверглась деструкции, а что-то оказалось погребено в земных толщах.

Переход от первичного биоценоза к «планете бактерий» прошел в следующие два этапа, которые идентифицируются по биогеохимическим циклам в географической оболочке Земли (Заварзин, 2001). На первом этапе основная первичная биомасса подверглась деструкции:

(CH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃PO₄ → 53 СН₄ + 53 СO₂ + 8 N₂ + 24 Н₂ + [H₃PO₄] .

Легкие компоненты — Н₂, Не, СН₄ — Земля утратила. На сегодня существуют доводы полагать, что атмосферный азот является продуктом разложения первичной биомассы. Тогда массовое содержание азота в атмосфере к концу этого этапа стало близким к современному значению 4×10¹⁸ кг. Отсюда первичная земная биомасса может быть оценена в 2.4х10¹⁹ кг по углероду. Выделившееся 1.2×10¹⁹ кг СO₂ и абиогенные СO₂ связались в древнем «содовом океане» с отложением свыше 6×10¹⁹ кг карбонатов (Заварзин, 2006). Значит, масса абиогенного С0₂ в древнейшей атмосфере примерно 4.8х10¹⁹ кг по углероду, а давление в ней оценивается по порядку величины в 10 атмосфер. На этом же этапе осадочные породы закрыли древнейшие породы с возрастом в 4.56 млрд. лет, возможно, с погружением последних вместе с осадочными породами в мантию, метаморфизацией и вновь выносом на поверхность. Отметим, что на Земле современное количество воды 1.3×10²¹ кг. Не меньшее количество содержалось и в палеоокеане. При отсутствии воды на Земле объемное отношение СO₂ и N₂ в атмосфере было бы свыше 20, как на Венере и Марсе.

Атмосферы Венеры и Марса имеют главными компонентами 95 % СO₂ и 3-5 % N₂ по объемному содержанию. Предполагая, что содержание азота в атмосфере этих планет связано, как и для Земли, с разложением первичной биомассы с отношением элементов С : N = 6, получим, что свыше 60 % СO₂ в их атмосферах является абиогенным. Другие компоненты — Н₂, Не, СН₄, Н₂O — потеряны этими планетами. Вода в виде льда на прото-Марсе при его низкой температуре не обеспечила сток СO₂ в карбонаты. На прото-Венере связывания СO₂ не произошло из-за ее высокой температуры и воды в виде пара. Отсутствие воды в жидком виде не запустило на этих планетах важнейший геохимический процесс — углекислотное выщелачивание, связывание углекислоты в карбонаты и появление осадочных пород и, вместе с тем, питания микроорганизмов, что привело к исчезновению органического вещества на поверхности Марса и Венеры.

На последнем из рассматриваемых этапов становления «планеты бактерий» примерно 2 млрд. лет назад произошло формирование окислительной атмосферы (Розанов, 2008, с. 49). Первичная продукция образовывалась в реакциях фотосинтеза

CO₂ + Н₂O → [СН₂O] + O₂,

которая не была сбалансирована с деструкцией в биогеохимическом цикле. Это привело к накоплению избыточной мортмассы, которая в настоящее время представлена в основном керогеном в 1.5×10¹⁸ кг — рассеянным углеродом осадочных пород. Масса керогена примерно соответствует накопившемуся кислороду атмосферы в 1х10¹⁸ кг. Массу самой биосферы на этом этапе определить очень сложно. Поэтому оценим совместную эффективность двух последних этапов самоорганизации. Тогда для этапа деструкции первичной биомассы с выходом на фотосинтезирующий биоценоз и переходом к «планете бактерий» с ее современной массой 2х10¹⁵ кг получается эффективность 2х10¹⁵ кг / 2.4х10¹⁹ кг ~ 0.01 %, что совпадает с обычной эффективностью двух этапов самоорганизации. Итак, на рубеже примерно 2 млрд. лет масса биосферы достигла современного значения, и появилась «планета бактерий».

Работа выполнена по программе Президиума РАН № 18-2 по направлению академика В.Н. Пармона, которому автор приносит искреннюю благодарность за поддержку и обсуждения исследований по астрокатализу. Автор выражает признательность сотрудникам исследовательского коллектива СО РАН, в частности, Института катализа им. Т.К. Борескова, где в основном была выполнена эта работа. Многие идеи обсуждались на встречах у академика А.Ю. Розанова в дискуссиях с академиками Г.А. Заварзиным, А.С. Спириным, А.И. Григорьевым, Н.С Кардашевым, Н.А. Колчановым, СВ. Шестаковым, которым автор признателен за критику и полезные замечания.

Поздравляю, Вы наконец-то стали обладателем новенького айфона четвертого поколения и теперь Вам предстоит самая занимательная и интригующая часть знакомства с вашим мобильным устройством — установка программ. Все для Android, Symbian, Bada и iPhone! Вы найдете на сайте www.exclusivemobile.ru, благодаря которому Вы сможете превратить свой мобильник в настоящий мультимедийный центр!

Аналогичный подход мы попытались осуществить и для синтеза углеводородов. Возможен ли в простой цепной реакции селективный синтез этилена при дегидрировании этана? Можно ли повысить выход пропилена? Проблема состояла в необходимости осуществить реакцию без стенок, которые играют роль катализаторов и на которых могут гибнуть или появляться радикалы. Мы собрали у себя установку, в которой излучением СO₂-лазера нагревали реагенты из газов, а далее анализировали состав получаемых смесей. Нагрев осуществлялся при поглощении этиленом энергии лазерного излучения. Неожиданно для себя мы выяснили, что классическая цепная реакция дегидрирования этана является автокаталитической по этилену (Снытников и др., 2009). Начальное количество этилена для проявления автокаталитичности можно оценить в 4-5 % при атмосферном давлении. Этот этилен может быть наработан путем известной стадии распада этана на два метальных радикала. Но далее более предпочтительной становиться реакция появления метильного и пропильного радикалов при столкновении молекул этана с этиленом. При этом повлиять на селективность выхода пропилена или ацетилена в 2 % при высоких степенях конверсии этана весьма проблематично, поскольку появление указанного канала реакции перекрывает другие реакции. Ацетилен — энергонасыщенная молекула, открывающая путь к появлению цианацетилена и широкой гаммы органических соединений (Трофимов и др., 2005) в околозвездной среде. Следовательно, нужен катализатор, классическое предназначение которого состоит в изменении путей синтеза соединений.

Таким образом, существуют пути эффективного синтеза сложных органических соединений, в частности, Сахаров, из простейших соединений при включении катализаторов или автокатализаторов. При этом стадии автокаталитического синтеза должен предшествовать (или как-то сочетаться) этап разрушительного грубого воздействия, в которых активизируются все возможные пути синтезов и появляются, не взирая на издержки, качественно новые соединения в минимальных количествах. Но из этих количеств на относительно больших временах в автокаталитических реакциях нарабатываются уже основная масса этих веществ с формированием, так сказать, хемоценоза. По-видимому, это некий общий принцип усложнения и самоорганизации химической системы,

Еще один вопрос, который часто задается А.Ю. Розановым и Н.Л. Добрецовым, о температуре на поверхности примитивной Земли. Этот вопрос, если на него посмотреть шире, о температуре примитивных тел при их динамике и слипании в зародыши планет. Для ответа на этот вопрос в рамках нашей гипотезы об астрокатализе мы должны включить в наши математические модели неупругие столкновения тел. Эти столкновения особенно важны на последних десятках млн. лет из 60 млн. лет существования протопланетного диска. Переход к модели Сафонова-Шмидта роя тел с крупными зародышами планет меняет используемую физическую модель. Учет столкновений со слипанием математически осуществляется записью интеграла столкновений в правую часть уравнения Больцмана для функции распределения тел по координатам, скоростям и теперь еще и по массам. Температура нагрева тел прямо связана с энергией, которая может выделиться при неупругом столкновении двух тел. Эта энергия рассчитывается достаточно точно из закона сохранения энергии и при отнесении на массу нового объединенного тела является тепловым эффектом. Теплопроводность на границе тела-газ и теплопотери излучением не учитываются. В расчете взято 1 млн. частиц, а ядро столкновений (коагуляции) в интеграле увеличено по абсолютной величине, чтобы не считать эти 60 млн. оборотов. Это можно сделать, так как ядро, связанное с характерным временем, входит в интеграл линейно. Что получилось в результате? Тела при своей динамике сохраняют круговые траектории. Картина динамики тел мало отличается от многих других работ в этой области. Интерес представляют следующие графики рис. 11. Эти графики характеризуют динамику нагрева пылевой компоненты протопланетного диска за счет неупругих столкновений. По оси ординат отложена энергия, запасенная в теле, в зависимости от массы тела для трех моментов времени. На график выводилась только представительная выборка, характеризующая функцию распределения частиц по массам. На ранней стадии большое количество мелких тел поглотило много энергии, и тела были нагреты до высоких температур. Они могли плавиться в результате удара. На более поздней стадии появились тела со значительно большей массой, но они не обладают высокой температурой. Массивные тела не накапливают энергии. Но на этих временах продолжает оставаться много укрупнившихся тел, которые несут высокую энергию. На больших временах (рис. 11, третий график) количество относительно небольших нагретых тел сокращается, в основном остались холодные тела. Среди крупных массивных тел нет нагретых. При этом при моделировании всегда остается небольшое количество нагретых некрупных тел. Вывод из этих данных такой. Крупные тела не проходили стадию своего общего разогрева за счет бомбардировки. Но многие метеориты могли расплавляться. Использование таких метеоритов как определителей температур на начальных временах для планет и других крупных тел может привести к ошибочным выводам. Должен подчеркнуть, что вывод основан на использовании в расчетах лишь закона сохранения энергии. И, скорее всего, этот вывод сложно изменить. Таким образом, поверхность Земли как и других планет при формировании не была расплавленной. На ней отсутствовали высокие температуры от аккреции других первичных тел, несмотря на то, что некоторые метеоритные данные могут продемонстрировать высокие значения температуры с плавлением материала. Поэтому на поверхности Земли с начала ее формирования существовали условия для развития биосферы.

Грядущий новогодний праздник станет для Вас сказочным приключением, которое останется на долгие годы в вашей памяти, если Вы обратитесь в компанию «Новый Стиль». Опытные дизайнеры, словно по мановению волшебной палочки, превратят вашу холостяцкую ‘берлогу’ в новогодний загородный дом, который станет оплотом тепла и уюта для ваших самых родных и близких людей. Более полную информацию о новогоднем оформлении загородных домов Вы сможете получить на сайте www.newyearstyle.ru.

Самая главная особенность этого реактора — это возможность быстрого переноса вещества внутри реактора путем обмена телами с наработанным веществом на каталитически активных поверхностях, а также и сложным органическим веществом при десорбции в газ и вновь адсорбции на тела из газовой фазы. Важны и процессы слипания — разрушения тел при их столкновениях между собой. Вот именно этот реактор, место и время я хотел бы предложить для «мира РНК». При быстром перемещении первичных тел внутри реактора должно неизбежно происходить их смачивание и высушивание. Смачивание происходит в зонах, где начинает конденсироваться вода. При развитой внутренней поверхности рыхлых и пористых первичных тел вода проникает по порам внутрь тел. При уходе первичных тел из областей конденсации воды происходит испарение воды в условиях атмосферы из водорода и гелия. При надлежащем подходе такой процесс может быть воспроизведен экспериментально и методами математического моделирования. В то же время внутри сгустка температура меняется незначительно даже при протекании экзотермических реакций, характерных для превращений сложных органических соединений, к примеру, синтеза Фишера-Тропша, по причине замечательно высокой теплопроводности водорода и гелия, из которых состоит в основном окружающий газ. Высокая теплопроводность должна выровнять любые температурные неоднородности и снизить колебания температур, несмотря на окружающую разреженную среду вокруг реактора. Эффект здесь может быть примерно такой, как в холодном плотном молекулярном облаке, которое окружено горячим корональным газом. Таким образом, это весьма сложный реактор для синтеза химических соединений, реактор высокого внутреннего давления и кипящего катализатора. Про эти реакторы известно, что высокие давления повышают эффективность синтезов целевых продуктов органического синтеза, как это и делается в химической промышленности. Далее встает вопрос об эффективности химических процессов на начальных стадиях абиогенного синтеза органических соединений. Первые стадии наиболее важны с точки зрения общего выхода конечных предбиологических соединений и общей массы биосферы.

В созданном реакторе могут происходить самые разнообразные явления. При протекании химических реакций вместе с диффузией и теплопроводностью возникают процессы самоорганизации (Пригожий, 1985), бифуркации, периодические и хаотические химические реакции. Другая идея — возникновение отбора среди автокатализаторов, что было предложено В.Н. Пармоном (2002) независимо от более ранней работы (Эбелинг и др., 2001). В цитированном выпуске журнала ВХО напечатана статья об отборе среди автокаталитических систем (Руденко, 1980). В рамках этих идей в ИК СО РАН исследовалась автокаталитическая реакция Бутлерова и реакция дегидрирования легких алканов, в частности, этана в газовой фазе. Последняя реакция была выбрана из-за высокого содержания алканов на поверхности Титана, спутника Сатурна.

В реакции Бутлерова интерес представляет возможность селективного синтеза рибозы. У нас в институте изучили механизм этой реакции. Мы выяснили, что в отличие от устоявшихся представлений об автокаталитичности этой реакции ее механизм является цепным с вырожденным разветвлением цепей (Симонов и др., 20076) без какого-либо отбора среди автокатализаторов. В реакции образуются до 57 групп продуктов. И наш вывод по этой реакции состоит в том, что избирательный синтез рибозы невозможен. Другая идея состояла в использовании катализатора, который бы включал в себя фосфор. Оказалось, что из низших моносахаридов в присутствии катализаторов могут образовываться жизненно важные углеводы с суммарным выходом до 59 %. Причем основные компоненты, которые ведут реакцию, это появляющиеся из-за распада углеводов гликолевый и глицериновый альдегиды. Мы также показали, что в исходно чистом формальдегиде никаких синтезов не происходит. В реагентах со следами Сахаров синтезы идут. В чистых, без затравок — нет (Симонов и др., 2007а).

Далее мы задались вопросом, можем ли мы получить эти затравки при протекании фотохимических реакций. Для этого мы исходный раствор формальдегида подвергли излучению ArF-ультрафиолетового лазера с длиной волны излучения 193 нм. Это примерно 6.3 эВ. В экспериментах было получено, что реагент, конечно, начинает разрушаться. Но необходимая затравка из гликолевого и глицеринового альдегидов получается, а при некоторых условиях и с весьма высокими выходами 4-5 % (Pestunova et al., 2005). Здесь ничего удивительного нет. Из большого числа работ по высокоэнергетическому воздействию на простейшие реагенты, в том числе электронными или ионными пучками, в разных условиях, скажем, и в ледяной матрице, эти соединения были получены. Мы также попытались в одном реакторе объединить фотоинициацию реакций и каталитический синтез Сахаров из формальдегида. Это у нас получилось с выходами С₅-углеводов до 40 %. В целом синтез идет из формальдегида (Pestunova et al., 2008).

Инжиниринговая компания «АДВЕНТА», специализирующаяся на продаже такого технологического оборудования, как магнитный сепаратор, магнитный фильтр, пакетировочный пресс, пресс компактор, железоотделитель, приглашает к сотрудничеству организации и частных лиц. Более подробную информацию о предлагаемом компанией оборудовании Вы сможете найти по адресу www.bazent.ru.

Развитие такого явления в околозвездном протопланетном диске на предельно коротких по астрофизическим меркам временах очень сложно наблюдать, зато можно рассчитать, промоделировать методами вычислительной физики (Снытников и др., 2004). Но для этого нужно научиться решать сложную систему уравнений математической физики. Эта система включает в себя уравнение Больцмана для функции распределения в шестимерном фазовом пространстве с самосогласованном гравитационным полем. Для гравитационного поля имеется уравнение Пуассона, а для газовой компоненты — газодинамические уравнения. Система для численного решения очень сложна и требует ресурсов суперкомпьютеров. При числен ном моделировании мы сталкиваемся со сложными математическими проблемами, главная из которых состоит в необходимости решать не просто нестационарную задачу, а задачу на самоорганизацию, физически неустойчивую в линейном приближении. Для решения этой проблемы были разработаны новые методы и подходы, более подробно можно ознакомиться с ними в наших публикациях (Snytnikov, Knksheva, 2007).

Рис. 8. Логарифм поверхностной плотности пылевой (слева) и газовой (справа) компоненты протопланетного диска без учета химической реакции.

Результаты ряда вычислительных экспериментов можно увидеть на рис. 8. В результате развития гравитационной неустойчивости в околозвездном диске формируются сгустки, причем за времена всего несколько десятков оборотов — лет. Сгущения могут двигаться и в обратную сторону по отношению к общему направлению движения. Тем самым эти сгустки представляют собой волны плотности, нелинейные солитоноподобные структуры. Но в таких структурах коагуляция может протекать на существенно более коротких временах по сравнению со средними условиями в диске. Расчеты выполнены по разным программам с разными алгоритмами решения уравнений, что входит в условие получения достоверных результатов вычислительных экспериментов. На рис. 9 представлены кадры из фильмов с логарифмом плотности по частицам и газу в случае, когда на температуру газа оказывает влияние экзотермическая реакция образования молекулы водорода из его атомов на твердых частицах.

Рис. 9. Логарифм поверхностной плотности пылевой (слева) и газовой (справа) компоненты протопланетного диска с учетом химической реакции.

Рис. 10. Распределение логарифма плотности частиц по экваториальной плоскости диска — фоновый график. Слева вверху — аналогичная величина с увеличением для нижнего сгустка. Справа вверху -распределение логарифма плотности газа в том же самом сгустке плотности. Внизу — изменение массы твердой фазы на единицу площади (поверхностная плотность) для нижнего сгустка.

В варианте без учета этой реакции сгустки сколлапсированного вещества появляются в диске, а при дополнительном тепловыделении такие сгустки отсутствуют. Это показывает, что на ранних этапах при большом содержании атомарного водорода или при высоких температурах структуры могут не возникать. Параметры среды в солитоно-подобных волнах сильно отличаются от средних значений в диске. Так, на рис. 10 приведен график с распределением плотности по твердой фазе в сгустке. Эта плотность в максимуме на 4-6 порядков выше фонового значения. Более точно я сказать не могу, так как в самом сгустке эту амплитуду мы считаем с низкой точностью. В самих сгустках давление по газу также во столько же раз отличается от фона. Если принять удаление сгустка от протозвезды за астрономическую единицу с абсолютным значением давления 10^-4
атмосферы, то в сгустке мы получили давление до ста атмосфер.

Попробуем взглянуть на сгусток с точки зрения химических технологий с их реакторами и охарактеризуем его с использованием классификации химических реакторов (Слинько, 1980). Это реактор с кипящей твердой фазой в газе. Частицы-катализаторы поступают из диска в реактор. Они некоторое время, порядка суток, ведут реакции в сгустках, а затем снова выходят в зону с низким давлением и высокой радиацией от протозвезды, где освобождаются от летучих соединений. Происходит регенерация поверхности. Известно, что реакторы с кипящим катализатором относятся к одному из самых эффективных реакторов химических технологий. Правда, они редко встречаются на реальном производстве по причине своей дороговизны, сложности в управлении, истирании катализаторов и внутренних поверхностей. Но природа на эти обстоятельства могла не обращать своего внимания.

Не секрет, что вкус и аромат свежемолотого кофе имеет более насыщенный и яркий оттенок в сравнении с быстрорастворимым. Именно поэтому в арсенале истинного ценителя этого бодрящего напитка должна присутствовать кофемолка, способная за считанные секунды измельчить душистые кофейные зерна. Я советую Вам обратить свое внимание на кофемолку BOSCH MKM 6003, которую Вы сможете приобрести на сайте nsk.terminal.ru всего за 820 рублей.

Что происходило с пылью, которая двигалась вместе с газом при своей массе примерно в 1 % от газа? Заметим, что пылинки имеют сложную слоистую структуру. В среднем если диаметр пыли составляет сотню нанометров, то внутреннее ядро из тугоплавких оксидов кремния, магния, железа составляет несколько нанометров. Далее идут слои из веществ в порядке их летучести. Летучие органические соединения, вода, метан находятся на поверхности. Под поверхностью находятся указанные выше сложные органические соединения, причем их больше обнаруженных количеств в молекулярных облаках. В молекулярных облаках регистрируют соединения в газовой фазе, в то время как львиная доля органических соединений сконденсирована на пылинках и составляют эти пылинки. Еще надо отметить, что при вращении газа с пылью вокруг протозвезды значения центрифужного параметра достигает огромных по земным меркам значений в 1000-2000 для пыли относительно газа. (В земных условиях этих значений пока не достигли). Поэтому при поступлении газа и пыли с периферии околозвездного диска пыль начинала накапливаться в диске. При своем движении из холодных внешних областей диска во внутренние разогретые области пылинки теряли свою шубу из органических соединений. Ядра пылинок очищались. Но на ядрах могли происходить и гетерогенные реакции синтеза органических соединений из СО, водорода, соединений азота, если такие наночастицы обладали каталитической активностью. Состав наночастиц можно восстановить, исходя из распространенности элементов во Вселенной. Он приведен в наших предыдущих работах (напр., Снытников, 2007а) вместе с составом газа. Фактически это составы классических катализаторов для синтеза Фишера-Тропша получения сложных углеводородов из СО и водорода и синтеза аммиака из азота и водорода. Надо подчеркнуть, что все окружающее нас вещество, вся Земля и тяжелые элементы Солнца находились в виде этих наночастиц. При этом в наночастицах из тысяч атомов в качестве активного центра работал или был оттестирован на работоспособность не просто какой-либо элемент, а каждый атом даже самого редкого элемента!! Это поддерживает утверждение о необходимости для биоценоза всех элементов (Меклер, 1980). К примеру, отдельные атомы вольфрама, молибдена, ванадия и так далее, влияют на свойства наночастицы. На важность этих элементов для становления биосферы вновь было обращено внимание (Dobretsov et al., 2008; Федонкин, 2008). Отбор в протопланетном диске по активности катализаторов был осуществлен на этом этапе в совершенно невообразимых для химических технологий масштабах. Но для конечного продукта, биоценозов, каталитическая суперактивность наночастиц разрушительна.

Конечно, нужно было экспериментально подтвердить это предположение о высокой каталитической активности наночастиц состава природной распространенности элементов. Для этого в Институте катализа СО РАН была построена установка (Snytnikov et al., 2007), на которой методом лазерного испарения были приготовлены наночастицы из природных минералов и метеоритов, в частности, из метеорита Царев. Образцы наноматериалов были отданы в две независимые лаборатории Института катализа СО РАН для определения их активности в реакции синтеза углеводородов из СО и водорода. Все приготовленные наноматериалы оказались активны в этой реакции (Хасин, Снытников, 2005). А один из образцов показал активность, не уступающую активности промышленного катализатора. Далее, все это означает, что в указанных условиях протопланетного диска наночастицы синтезировали большое количество различной органики. И все неорганические частицы с диаметром в сантиметры, на которых обычно заканчивается укрупнение неорганических материалов (на больших масштабах неорганические материалы в условиях диска плохо соединяются между собой), реально были погружены в органическую связку, матрицу или пропитаны органическими соединениями, клеем. Фактически, это были кусочки пластилина, которые в столкновениях между собой могли легко слипаться. Тогда характерный масштаб, на котором заканчивается обычный рост частиц, составляет не сантиметры, а метры. Тем самым на этой уже относительно поздней стадии диска с температурой порядка 300-500 К на земном радиусе мы имеем газ и набор метровых в диаметре тел, двигающихся слабостолкновительно вокруг протозвезды. Слабостолкновительно означает, что тела могут столкнуться между собой на временах, сравнимых со временем одного оборота вокруг протозвезды. Такие столкновения происходят с космическими скоростями, большими скорости звука в твердом теле, и они приводят к дроблению тел.

Отметим, что органической компонентой и гетерогенными каталитическими реакциями в околозвездных дисках многие исследователи обычно пренебрегают, уделяя основное внимание газовой компоненте (Маров и др., 2008). Это справедливо в расчетах температуры и давления газовой компоненты по диску. Но в эволюции пылевой компоненты безусловно важную роль сыграли, в частности, реакции полимеризации на наночастицах с появлением комплекса разных полимеров. В качестве примера можно указать полиэтилен, мономер которого этилен синтезируется из СО и Н₂ наряду с другими углеводородами и молекулами воды.

Далее мы задались следующим вопросом, и в этом мы также были оригинальны по сравнению с исследователями московской и других школ (Маров и др., 2008). Существует ли физический механизм, который за предельно быстрые времена порядка нескольких лет приводит к формированию зародышей планет из первичных тел метрового размера? Почему год или несколько лет? Ответ прост, А.С. Спирин в своем выступлении на нашем совещании потребовал для синтезов «мира РНК» часы, возможно, несколько суток. Но диск функционирует миллион лет, и нужно связать астрофизические и химические времена. Отсюда, имеются ли в протопланетном диске существенно более быстрые процессы, чем процесс, определяющий этот миллион лет существования диска? Ответ на этот вопрос оказался «да». Но для ответа пришлось рассматривать гравитационную неустойчивость в двухфазной среде из газа и первичных тел, в которой из последних формируются зародыши планет. Данный вид неустойчивости отличается от неустойчивости Тоомре, которую анализировали М.Я. Маров и др. (2008). Мы рассмотрели длину Джинса в такой среде и показали, что при эффективной энергии, характеризующей разброс тел по скоростям, близкой к температуре газа, длина Джинса может уменьшиться на много порядков (Снытников, 20076). Возникает условие гравитационного собирания многих первичных тел в зародыши планет. Этот процесс коллективный и бесстолкновительный. Определенный и изученный аналог такого процесса можно найти в физике ускорителей элементарных частиц. Он известен как охлаждение легкими электронами тяжелых протонов. В изучаемом процессе при трении тел о газ разброс тел по скоростям снижается, и в какой-то момент времени возникают условия для гравитационного коллективного коллапса тел в газе.

Решили собственными силами создать качественный сайт, но в процессе осознали, что это очень сложное и кропотливое занятие, которое является непосильной для Вас задачей? Значит, пришло время вбить в поисковую строку вашего любимого поисковика «web студия» и перейти на сайт www.diogenes.ru, квалифицированные специалисты которого в кратчайшие сроки и с учетом всех ваших пожеланий разработают полностью функциональный сайт.