Сложная углеродная молекула может образовываться в космосе при −263 °C
Сложные углеродные молекулы, для образования которых на Земле обычно требуются высокие температуры, могут возникать и в ледяном межзвёздном пространстве. Химики рассчитали последовательность реакций, способную приводить к появлению феналена — органической молекулы из 13 атомов углерода и 10 атомов водорода — при условиях холодных молекулярных облаков, где температура составляет всего около 10 кельвинов, или −263 °C.
Работа Александра Мебеля из Международного университета Флориды и Ральфа Кайзера из Гавайского университета была посвящена загадке, возникшей после обнаружения феналена в молекулярном облаке Телец-1, или TMC-1. В сентябре 2025 года астрономы надёжно зарегистрировали там эту молекулу по её радиоизлучению. Они выявили десятки спектральных линий феналена и дополнительно подтвердили идентификацию лабораторными измерениями его вращательного спектра.
Фенален C₁₃H₁₀ относится к полициклическим ароматическим углеводородам — ПАУ. Их молекулы состоят из нескольких связанных углеродных колец и считаются важной частью углеродной химии межзвёздной среды. Проблема заключалась в том, что многие известные механизмы образования подобных соединений наиболее эффективно работают при высоких температурах, тогда как TMC-1 представляет собой чрезвычайно холодное облако, из которого в будущем могут формироваться звёзды и планетные системы.
Чтобы выяснить, как фенален может появляться в таких условиях, Мебель и Кайзер исследовали с помощью квантово-химических расчётов механизм, получивший название MACA — присоединение метилидина с последующей циклизацией и ароматизацией. Расчёты показали, что метилидиновый радикал CH может реагировать с 1-винилнафталином и в результате серии перестроек образовывать 1H-фенален. Ключевая особенность реакции заключается в том, что для её начала не требуется преодоление входного энергетического барьера.
Реакция также оказалась экзоэнергетической — в ходе процесса энергия выделяется, а не должна непрерывно поступать извне. Именно сочетание отсутствия входного барьера и выделения энергии делает такой путь потенциально пригодным для химии при очень низких температурах. В результате к существующему ароматическому углеродному каркасу присоединяется новое кольцо, и молекула становится сложнее.
Этот механизм интересен ещё и потому, что ранее сходный путь MACA уже рассматривался для образования индена — более простой ароматической молекулы C₉H₈, которая также была обнаружена в TMC-1. Авторы считают, что подобные безбарьерные реакции могут быть одним из способов последовательного наращивания полициклических углеводородов в холодной межзвёздной среде.
Сам факт существования феналена в TMC-1 уже был установлен наблюдениями. В 2025 году астрономы зарегистрировали 71 независимую частоту его вращательных переходов и оценили плотность молекул вдоль луча зрения примерно в 2,8 × 10¹³ на квадратный сантиметр. Это сделало фенален вторым обнаруженным в TMC-1 незамещённым полициклическим ароматическим углеводородом после индена.
Новый результат, однако, не означает, что учёные экспериментально увидели образование феналена при −263 °C. Исследование основано на расчётах электронной структуры молекул и статистическом моделировании скоростей и путей реакций. Авторы показали, что предложенная последовательность химически и энергетически возможна в холодной среде, но её роль в реальном облаке TMC-1 ещё предстоит проверять с помощью дополнительных лабораторных экспериментов, астрономических наблюдений и более подробных астрохимических моделей.
Работа помогает объяснить более общую загадку межзвёздной химии. Полициклические ароматические углеводороды обнаруживаются в космосе даже там, где традиционные высокотемпературные механизмы их образования работать не должны. Если безбарьерные реакции действительно широко распространены, сложная углеродная химия может начинаться ещё внутри холодных облаков — задолго до появления звёзд и планет.
Это не означает, что фенален непосредственно является «строительным блоком жизни» или что найден механизм возникновения жизни. Однако органические соединения, образовавшиеся в молекулярных облаках, впоследствии могут попасть в вещество протопланетных дисков, астероидов и молодых планет. Поэтому понимание того, насколько сложной может стать химия ещё до рождения планетной системы, важно для реконструкции химической эволюции вещества от межзвёздных облаков до формирующихся миров.
Исследование в журнале The Journal of Physical Chemistry A.