Вернуться назад Распечатать

Почему космос «затоплен» водородом? Как космическая пыль строит Вселенную

Космос огромен и, на первый взгляд, пуст. Но это обманчивое впечатление. Межзвездное пространство наполнено газом и пылью, и среди этого «ничего» в невообразимых количествах присутствует молекулярный водород (H2) — два атома водорода, крепко связанные друг с другом. Он — основное топливо для звезд и строительный материал для всего сущего. Но вот загадка, которая давно не давала покоя астрономам: как эти молекулы вообще образуются в таких количествах?

Ведь космос — это не дружелюбное место для создания химических связей. Представьте себе два одиноких атома водорода, летящих в ледяной пустоте. Шанс, что они случайно столкнутся, ничтожно мал из-за огромных расстояний. Но даже если столкновение произойдет, есть еще одна проблема. Когда два атома образуют связь, выделяется энергия. В условиях космоса этой энергии часто достаточно, чтобы тут же разорвать новоиспеченную молекулу H2. Нужен какой-то «посредник», который помог бы атомам встретиться и забрал бы лишнюю энергию.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Пыль — не просто мусор, а катализатор?

И вот тут на сцену выходит космическая пыль. Долгое время ученые подозревали, что эти крошечные частицы, состоящие из силикатов, углерода и льда, могут играть роль таких «свах». Пылинка предоставляет поверхность, на которой атомы водорода могут «осесть» и подождать встречи с партнером. А сама структура пылинки может поглотить ту самую избыточную энергию, стабилизируя новорожденную молекулу водорода. Звучит логично, но как это доказать?

Недавно физики-материаловеды Юйчжэнь Го и Дэвид Маккензи из Сиднейского университета предложили элегантное решение, используя мощь компьютерного моделирования. Они решили проверить гипотезу о пыли как катализаторе, но вместо абстрактной «пылинки» взяли конкретного и очень интересного кандидата — фуллерен C60.

Красная/синяя линия показывает расстояние между падающим атомом дейтерия/водорода и адсорбированным атомом водорода, с которым он сталкивается, как функцию времени. Синяя квадратная область показывает переход от связи sp3 к связи sp2. Черная стрелка указывает направление движения падающего HI. Первый минимум возникает во время столкновения падающего HI с адсорбированным атомом водорода на фуллерене. Второй минимум показывает образование молекулы водорода по механизму ER, за которым следует разрыв связи C-H и преобразование связи sp3 в связь sp2. Быстрое колебание после образования указывает на высоковозбужденное колебательное состояние зарождающегося молекулярного водорода. Амплитуда новообразованного H2 выше, чем у HD. Через 1 пс длина связи H2 составляет 0,90 +- 0,22 Å, в то время как длина связи HD — 0,87 +- 0,19 Å. Цитирование: Guo, Y., McKenzie, D.R. Ab-initio dynamic study of mechanisms for dust-mediated molecular hydrogen formation in space. Commun Chem 8, 97 (2025). https://doi.org/10.1038/s42004-025-01489-z
Автор: Guo, Y., McKenzie, D.R. Источник: www.nature.com
Знакомьтесь, фуллерен: углеродный «футбольный мяч»

Что такое фуллерен C60? Представьте себе молекулу, состоящую из 60 атомов углерода, соединенных в структуру, похожую на футбольный мяч (точнее, на классический мяч с пяти- и шестиугольниками). Эти удивительные молекулы, открытые не так давно, оказались не просто лабораторной диковинкой. Их обнаружили и в космосе! Фуллерены обладают уникальными свойствами и по своей структуре и размеру напоминают некоторые компоненты космической пыли. Поэтому Го и Маккензи решили: а что, если именно такие «углеродные мячики» помогают водороду объединяться?

Виртуальный эксперимент: два сценария встречи

Ученые создали детальную компьютерную модель фуллерена C60 и запустили симуляцию, имитирующую условия холодного космоса. Они рассмотрели два наиболее вероятных сценария:

  1. Два «жильца»: Два атома водорода уже «прилипли» к поверхности фуллерена и ползают по ней, пока случайно не столкнутся друг с другом.
  2. «Пришелец» и «жилец»: Один атом водорода уже сидит на фуллерене, а другой прилетает из космоса и врезается в него.
Результат: сватовство удалось!

И моделирование показало: да, это работает! В обоих сценариях атомы водорода успешно соединялись в молекулу H2. И что самое важное — фуллерен выступил в роли идеального «энергетического буфера». Он эффективно поглощал энергию, выделяющуюся при образовании связи, не давая молекуле водорода тут же развалиться. Этот процесс эффективно шел даже при очень низких температурах, характерных для межзвездных облаков — от 50 Кельвин (-223 °C) до экстремальных 10 Кельвин (-263 °C). Холодно, правда? Исследователи также предполагают, что механизм может работать и при более высоких температурах и энергиях.

Резкое повышение температуры от 10К до 3000К имитирует взаимодействие с ультрафиолетовым фотоном или ударной волной, обеспечивающей температурный скачок. Черные атомы обозначают атомы углерода, белые — атомы водорода, а красные круги — молекулы водорода. Прозрачная цепочка показывает траекторию образования молекулярного водорода. Первая молекула водорода образуется через 0,73 пс. Вторая и третья молекулы водорода образуются через 2,39 пс и 4,81 пс, соответственно. В процессе наблюдаются как ER-механизм, так и LH-механизм, индуцированный тепловыми скачками. Цитирование: Guo, Y., McKenzie, D.R. Ab-initio dynamic study of mechanisms for dust-mediated molecular hydrogen formation in space. Commun Chem 8, 97 (2025). https://doi.org/10.1038/s42004-025-01489-z
Автор: Guo, Y., McKenzie, D.R. Ц Источник: www.nature.com
Почему это так важно?

Казалось бы, ну, нашли еще один способ образования водорода. Но это открытие имеет огромное значение для нашего понимания Вселенной. Молекулярный водород H2 — это:

  • Главное топливо для звезд: Без него не зажглись бы звезды, не начался бы ядерный синтез, производящий все остальные элементы.
  • Исходный материал: Из облаков H2 формируются не только звезды, но и планеты.
  • Предшественник воды: Чтобы образовалась вода (H2O), нужен молекулярный водород. Понимание того, как эффективно образуется H2, помогает понять и историю воды во Вселенной.

Работа Го и Маккензи дает убедительное подтверждение гипотезе о роли пыли (и конкретно фуллеренов как ее возможного компонента) в процессе формирования самого распространенного типа молекул во Вселенной. Она показывает, как даже крошечные структуры, дрейфующие в космической пустоте, могут играть ключевую роль в грандиозных космических процессах. Это еще один шаг к пониманию того, как из простых атомов водорода возникла вся сложность и красота окружающего нас мира. Похоже, у космической пыли действительно есть важная работа — быть тихой, но незаменимой «свахой» для водорода.