Хімія та космос. хімія землі, на жаль, людина навчилася використовувати тільки ті матеріали, які знаходяться на поверхні землі, але земні ресурси

У той час як «гарячими» ядерними процесами в космосі – плазмовим станом, нуклеогенезом (процесом елементів) усередині зірок та ін. – в основному займається фізика. - нова галузь знання, що отримала значний розвитоку 2-й половині 20 ст. головним чином завдяки успіхам космонавтики. Раніше дослідження хімічних процесів у космічному просторі та складу космічних тіл здійснювалися переважно шляхом випромінювання Сонця, зірок і, частково, зовнішніх верств планет. Цей метод дозволив відкрити елемент Сонце ще до того, як він був виявлений на Землі. Єдиним прямим методом вивчення космічних тіл був і фазового складу різних метеоритів, що випадали Землю. Так було накопичено значний матеріал, що має фундаментальне значення і для подальшого розвитку. Розвиток космонавтики, польоти автоматичних станцій до планет Сонячна система– Місяцю, Венері, Марсу – і, нарешті, відвідування людиною Місяця відкрили перед цілком нові можливості. Насамперед - це безпосереднє дослідження Місяця за участю космонавтів або шляхом забору зразків автоматичними (рухомими та стаціонарними) апаратами та доставка їх на Землю для подальшого вивчення хімічні лабораторії. Крім того, автоматичні апарати, що спускаються, уможливили вивчення та умов його існування в і на поверхні ін планет Сонячної системи, насамперед Марса і Венери. Одне з найважливіших завдань вивчення на основі складу та поширеності космічних тіл, прагнення пояснити на хімічної основіїх походження та історію. Найбільша увага приділяється проблемам поширеності та розподілу. Поширеність у космосі визначається нуклеогенезом усередині зірок. Хімічний складСонця, планет земного типуСонячна система і метеорити, мабуть, практично тотожні. Освіта ядер пов'язані з різними ядерними процесами у зірках. Тому на різних етапах своєї різні зірки та зоряні системи мають неоднаковий хімічний склад. Відомі зірки з особливо сильними спектральними лініями Ва або Mg або Li та ін. Розподіл по фазах у космічних процесах винятково різноманітний. На агрегатний і фазовий стан у космосі різних стадіях його перетворень надають різнобічний вплив:1) величезний діапазон , від зоряних до абсолютного нуля; 2) величезний діапазон, від мільйонів в умовах планет і зірок до космічного; 3) глибоко проникаючі галактичне та сонячне випромінювання різного складу та інтенсивності; 4) випромінювання, що супроводжують перетворення нестабільних на стабільні; 5) магнітне, гравітаційне та ін. фізичні поля. Встановлено, що всі ці фактори впливають на склад зовнішньої кори планет, їх газових оболонок, метеоритного, космічної та ін. Визначення ізотопних, що виникли під впливом випромінювань, дозволяє глибоко проникати в історію процесів утворення планет, астероїдів, метеоритів та встановлювати вік цих процесів. Завдяки екстремальним умовам у космічному просторі протікають процеси та зустрічаються стани, не властиві Землі: плазмовий стан зірок (наприклад, Сонця); конденсування Не, На, CH 4 , NH 3 та ін. великих планетпри дуже низьких; утворення нержавіючого в космічному при Місяці; хондритова структура кам'яних метеоритів; утворення складних органічних у метеоритах і, ймовірно, на поверхні планет (наприклад, Марса). У міжзоряному просторі виявляються вкрай малих і багатьох елементів, а також ( , і т. д.) і, нарешті, йде синтез різних складних (що виникають з первинних сонячних Н, CO, NH 3 , O 2 , N 2 , S та інших простих сполук у рівноважних умовах за участю випромінювань). Всі ці органічні у метеоритах, у міжзоряному просторі – оптично не активні.

З розвитком астрофізики та деяких ін наук розширилися можливості отримання інформації, що відноситься до . Так, пошуки в міжзоряному середовищі ведуться методами радіоастрономії. До кінця 1972 у міжзоряному просторі виявлено понад 20 видів , у тому числі кілька досить складних органічних , що містять до 7 . Встановлено, що їх у 10-100 млн. разів менше, ніж . Ці методи дозволяють також за допомогою порівняння радіоліній ізотопних різновидів одного (наприклад, H 2 12 CO і H 2 13 CO) досліджувати ізотопний міжзоряний склад і перевіряти правильність існуючих теорій походження .

Виняткове значеннядля пізнання космосу має вивчення складного багатостадійного процесу низькотемпературної , наприклад переходу сонячного в тверде планет Сонячної системи, астероїдів, метеоритів, що супроводжується конденсаційним зростанням, акрецією (збільшенням маси, «наростанням» будь-якого шляхом додавання частинок ззовні, наприклад з газо (фаз) при одночасної втрати летких космічного простору. У космічному, при відносно низьких (5000-10000 °С), з остигаючої послідовно випадають тверді фази різного хімічного складу (залежно від ), що характеризуються різними енергіями зв'язку, окислювальними потенціалами і т. п. Наприклад, в хондритах розрізняють силікатну, металеву, сульфідну, хромітну, фосфідну, карбідну та ін фази, які агломеруються в якийсь момент їх історії в кам'яний метеорит і, ймовірно, подібним чином і в планет земного типу.

Далі в планетах відбувається процес диференціації твердого, що остигає на оболонки - металеве ядро, силікатні фази (мантію та кору) і - вже в результаті вторинного розігріву планет теплотою радіогенного походження, що виділяється при розпаді радіоактивних і, можливо, інших елементів. Такий процес виплавлення при вулканізмі характерний для Місяця, Землі, Марса, Венери. У його основі лежить універсальний принцип зонного , що розділяє легкоплавке (наприклад, кори і ) від тугоплавкої мантії планет. Наприклад, первинне сонячне CaSiO 3 + CO 2 досягає рівноважного стану, при якому міститься 97% CO 2 при 90 атм. Приклад Місяця свідчить, що вторинні (вулканічні) не утримуються небесним тілом, якщо його маса невелика.

Зіткнення в космічному просторі (або між частинками метеоритного, або при нальоті метеоритів та ін частинок на поверхню планет) завдяки величезним космічними швидкостями руху можуть викликати тепловий, що залишає сліди в структурі твердих космічних тіл, і утворення метеоритних кратерів. Між космічними тілами відбувається. Наприклад, за мінімальною оцінкою, на Землю щорічно випадає не менше ніж 1 × в інші, а в загальному випадку - до зміни ізотопного або атомного складу»,1971, ст. 11; Аллер Л. Х., пров. з англ., М., 1963; Сіборг Р. Т., Веленс Е. Р., Елементи Всесвіту, пров. з англ., 2 видавництва, М., 1966; Merrill P. W., Space chemistry, Ann Arbor, 1963; Spitzer L., Diffuse matter in space, N. Y., 1968; Snyder L. E., Buhl D., Molecules in the interstellar medium, "Sky and Telescope", 1970, v. 40, p. 267, 345.

Космохімія (астрохімія) - розділ науки про космос, що включає вивчення хімічного та ізотопного складу космічних тіл, а також міжпланетного та міжзоряного середовища, вивчення хімічних елементіву космосі, процесів радіоактивного розпаду та ядерних реакційта ін. Встановлено, що у космосі є самі хімічні елементи, як і Землі.

Космохімія досліджує переважно «холодні» процеси лише на рівні атомно-молекулярних взаємодій речовин, тоді як «гарячими» ядерними процесами у космосі - плазмовим станом речовини, нуклеогенезом (процесом освіти хімічних елементів) усередині зірок займається фізика.

Розвиток космонавтики відкрили перед космохімією нові можливості. Це безпосереднє дослідження порід Місяця внаслідок забору зразків ґрунту.

Автоматичні апарати, що спускаються, уможливили вивчення речовини та умов її існування в атмосфері і на поверхні інших планет Сонячної системи та астероїдів, в кометах. У міжзоряному просторі виявляються в дуже малих концентраціях атоми і молекули багатьох елементів, а також мінерали (кварц, силікати, графіт та інші) і, нарешті, йде синтез різних складних органічних сполук з первинних сонячних газів Н, CO, NH3, O2, N2, S та інших простих сполук у рівноважних умовах за участю випромінювань.

Космохімія: що це? Космохімія – нова галузь знання, що набула значного розвитку завдяки успіхам космонавтики.. Цей метод дозволив відкрити елемент гелій на Сонці ще до того, як його знайшли на Землі. Єдиним прямим методом вивчення космічних тіл був аналіз хімічного та фазового складу різних метеоритів, що випадали на Землю. Розвиток космонавтики, польоти автоматичних станцій до планет Сонячної системи – Місяцю, Венері, Марсу – відвідування людиною Місяця відкрили перед космохімією нові можливості.

Насамперед – це безпосереднє дослідження порід Місяця за участю космонавтів або шляхом забору зразків ґрунту автоматичними апаратами та доставка їх на Землю. Крім того, автоматичні апарати, що спускаються, уможливили вивчення речовини та умов її існування в атмосфері і на поверхні інших планет Сонячної системи, насамперед Марса і Венери. Найбільша увага приділяється проблемам поширеності та розподілу хімічних елементів.Хімічний склад Сонця, планет земного типу Сонячної системи та метеоритів, мабуть, практично тотожний. Освіта ядер хімічних елементів пов'язані з різними ядерними процесами у зірках. Тому на різних етапах своєї еволюції різні зірки та зоряні системи мають неоднаковий хімічний склад. Відомі зірки з особливо сильними спектральними лініями Ва, Mg, Li та ін. Розподіл хімічних елементів по фазах у космічних процесах винятково різноманітний.

На агрегатний та фазовий стан речовини в космосі на різних стадіях його перетворень мають різнобічний вплив:

1) великий діапазон температур, від зоряних до абсолютного нуля;

2) величезний діапазон тисків, від мільйонів атмосфер в умовах планет та зірок до космічного вакууму;

3) глибоко проникаючі галактичне та сонячне випромінювання різного складу та інтенсивності;

4) випромінювання, що супроводжують перетворення нестабільних атомів на стабільні. У цьому процеси фракціонування речовини у космосі стосуються як атомного, а й ізотопного складу.

Визначення ізотопних рівноваг, що виникли під впливом випромінювань, дозволяє глибоко проникати в історію процесів утворення речовини планет, астероїдів, метеоритів та встановлювати вік цих процесів. Завдяки екстремальним умовам у космічному просторі протікають процеси та зустрічаються стани речовини, не властиві Землі:плазмовий стан речовини зірок (наприклад, Сонця); конденсація Не, CH4, NH3 та інших легколетких газів в атмосфері великих планет за дуже низьких температур; утворення нержавіючого заліза в космічному вакуумі під час вибухів на Місяці; хондритова структура речовини кам'яних метеоритів; освіта складних органічних речовину метеоритах і, ймовірно, на поверхні планет (наприклад, Марса).

Історія космохімії

Становлення та розвитку космохімії передусім пов'язані з працями В. М. Гольдшмідта, Р. Юрі, А. П. Виноградова. Гольдшмідт вперше сформулював (1924-32) закономірності розподілу елементів у метеоритній речовині та знайшов основні принципи розподілу елементів у фазах метеоритів (силікатної, сульфідної, металевої).

Одне з найважливіших завдань космохімії - вивчення на основі складу та поширеності хімічних елементів еволюції космічних тіл, прагнення пояснити на хімічній основі їхнє походження та історію.

Найбільша увага у космохімії приділяється проблемам поширеності та розподілу хімічних елементів. Поширеність хімічних елементів у космосі визначається нуклеосинтезом усередині зірок. Хімічний склад Сонця, планет земного типу Сонячної системи та метеоритів, мабуть, практично тотожний.

Встановлено, що концентрації їх у 10-100 млн. разів менше, ніж концентрація водню. Ці методи дозволяють також за допомогою порівняння радіоліній ізотопних різновидів однієї молекули (наприклад, H212CO та H213CO) досліджувати ізотопний склад міжзоряного газу та перевіряти правильність існуючих теорій походження хімічних елементів. Виняткове значення для пізнання хімії космосу має вивчення складного багатостадійного процесу конденсації речовини низькотемпературної плазми, наприклад переходу сонячної речовини в тверду речовину планет Сонячної системи, астероїдів, метеоритів, що супроводжується конденсаційним зростанням, акрецією (збільшенням маси, " наприклад з газопилової хмари) та агломерацією первинних агрегатів (фаз) при одночасної втрати летких речовин у вакуумі космічного простору.

У космічному вакуумі, при відносно низьких температурах (5000-10000 °С), з плазми, що остигає, послідовно випадають тверді фази різного хімічного складу (залежно від температури), що характеризуються різними енергіями зв'язку, окислювальними потенціалами і т. п. Наприклад, в хондритах розрізняють силікатну металеву, сульфідну, хромітну, фосфідну, карбідну та ін. фази, які агломеруються в якийсь момент їх історії в кам'яний метеорит і, ймовірно, подібним чином і в речовину планет земного типу. Можливість інтерпретації даних щодо хімічного складу планет на основі уявлень про їх "холодне" походження з пилової компоненти протопланетної хмари. Виноградов (1959) обґрунтував концепцію виплавлення та дегазації речовини планет земної групияк основного механізму диференціації речовини планет та формування їх зовнішніх оболонок - кори, атмосфери та гідросфери.

До другої половини 20 століття дослідження хімічних процесів у космічному просторі та складу космічних тіл здійснювалися переважно шляхом спектрального аналізу речовини Сонця, зірок, частково зовнішніх верств атмосфери планет.Єдиним прямим методом вивчення космічних тіл був аналіз хімічного та фазового складу метеоритів. Розвиток космонавтики відкрив нові можливості безпосереднього вивчення позаземної речовини. Це призвело до фундаментальних відкриттів: встановлення поширення порід базальтового складу лежить на поверхні Місяця, Венери, Марса; визначення складу атмосфер Венери та Марса; з'ясування визначальної ролі ударних процесів у формуванні структурних та хімічних особливостейповерхні планет та освіті реголіту та ін.

Осмій на сьогодні визначений як найважча речовина на планеті. Усього один кубічний сантиметрцієї речовини важить 22.6 грами. Він був відкритий в 1804 році англійським хіміком Смітсоном Теннантом, при розчиненні золота в пробірці залишився осад. Це сталося через особливості осмію, він нерозчинний у лугах та кислотах.

Найважчий елемент планети

Являє собою блакитно-білий металевий порошок. У природі зустрічається у вигляді семи ізотопів, шість із них стабільні та один нестійкий. За густиною трохи перевершує іридій, який має щільність 22,4 грама на кубічний сантиметр. З виявлених на сьогодні матеріалів найважча речовина у світі - це осмій.

Він відноситься до групи таких як лантан, ітрій, скандій та інших лантаноїдів.

Дорожче золота та алмазів

Видобує його дуже мало, близько десяти тисяч кілограмів на рік. Навіть у найбільшому джерелі осмію, Джезказганському родовищі, міститься близько трьох десятимільйонних часток. Біржова вартість рідкісного металу у світі сягає близько 200 тисяч доларів за один грам. При цьому максимальна чистота елемента в процесі очищення близько 70%.

Хоча у російських лабораторіях вдалося отримати чистоту 90,4 відсотка, але кількість металу не перевищувала кількох міліграм.

Щільність матерії за межами планети Земля

Осмій, безперечно, є лідером найважчих елементів нашої планети. Але якщо ми звернемо свій погляд у космос, то до нашої уваги відкриється безліч речовин важчих, ніж наш «король» важких елементів.

Справа в тому, що у Всесвіті існують умови дещо інші, ніж на Землі. Гравітація ряду настільки велика, що речовина неймовірно ущільнюється.

Якщо розглянути структуру атома, то виявиться, що відстань у міжатомному світі чимось нагадує видимий нами космос. Де планети, зірки та інші знаходяться на досить великій дистанції. Решта ж займає порожнеча. Саме таку структуру мають атоми, і за сильної гравітації ця дистанція досить сильно зменшується. Аж до «вдавлювання» одних елементарних частинок до інших.

Нейтронні зірки - надщільні об'єкти космосу

У пошуках за межами нашої Землі ми зможемо виявити найважчу речовину в космосі на нейтронних зірках.

Це досить унікальні космічні жителі, один із можливих типів еволюції зірок. Діаметр таких об'єктів становить від 10 до 200 кілометрів, при масі, що дорівнює нашому Сонцю, або в 2-3 рази більше.

Це космічне тіло в основному складається з нейтронної серцевини, яка складається з плинних нейтронів. Хоча, за деякими припущеннями вчених, вона повинна перебувати в твердому стані, достовірної інформації на сьогодні не існує. Однак відомо, що саме нейтронні зірки, досягаючи свого переділу стиску, згодом перетворюються на колосальний викид енергії, близько 10 43 -10 45 джоулів.

Щільність такої зірки можна порівняти, наприклад, з вагою гори Еверест, поміщеної в сірникову коробку. Це сотні мільярдів тонн за один кубічний міліметр. Наприклад, щоб стало зрозуміліше, наскільки велика щільність речовини, візьмемо нашу планету з її масою 5,9×1024 кг і «перетворимо» на нейтронну зірку.

В результаті, щоб зрівнялася із щільністю нейтронної зірки, її потрібно зменшити до розмірів звичайного яблука діаметром 7-10 сантиметрів. Щільність унікальних зоряних об'єктів збільшується із переміщенням до центру.

Шари та щільність речовини

Зовнішній шар зірки є у вигляді магнітосфери. Безпосередньо під нею щільність речовини вже сягає близько однієї тонни на кубічний сантиметр. Враховуючи наші знання про Землю, на Наразі, це найважча речовина із виявлених елементів. Але не поспішайте з висновками.

Продовжимо наші дослідження унікальних зірок. Їх називають також пульсарами через високу швидкість обертання навколо своєї осі. Цей показник у різних об'єктів коливається від кількох десятків до сотень обертів на секунду.

Прослідкуємо далі у вивченні надщільних космічних тіл. Потім слідує шар, який має характеристики металу, але, швидше за все, він схожий за поведінкою та структурою. Кристали набагато менше, ніж ми бачимо в кристалічні гратиЗемні речовини. Щоб побудувати лінію із кристалів в 1 сантиметр, знадобиться викласти понад 10 мільярдів елементів. Щільність у цьому шарі в один мільйон разів вища, ніж у зовнішньому. Це не найважча речовина зірки. Далі йде шар, багатий на нейтрони, щільність якого в тисячу разів перевищує попередній.

Ядро нейтронної зірки та її щільність

Нижче знаходиться ядро, саме тут щільність досягає свого максимуму - в два рази вище, ніж шар, що лежить вище. Речовина ядра небесного тіласкладається з усіх відомих фізикиелементарних частинок. На цьому ми досягли кінця подорожі до ядра зірки у пошуках найважчої речовини у космосі.

Місія у пошуках унікальних за щільністю речовин у Всесвіті, начебто, завершена. Але космос сповнений загадок та невідкритих явищ, зірок, фактів та закономірностей.

Чорні дірки у Всесвіті

Слід звернути увагу на те, що сьогодні вже відкрито. Це чорні дірки. Можливо, саме ці загадкові об'єктиможуть бути претендентами на те, що найважча речовина у Всесвіті - їхня складова. Зверніть увагу, що гравітація чорних дірок настільки велика, що світло не може залишити її.

За припущеннями вчених, речовина, затягнута в область простору часу, ущільнюється настільки, що простору між елементарними частинкамине залишається.

На жаль, за обрієм подій (так називається кордон, де світло і будь-який об'єкт, під дією сил гравітації, не може залишити чорну дірку) слідують наші припущення і непрямі припущення, засновані на викидах потоків частинок.

Ряд вчених припускають, що за обрієм подій поєднуються простір і час. Існує думка, що вони можуть бути "проходом" в інший Всесвіт. Можливо, це відповідає істині, хоча цілком можливо, що за цими межами відкривається інший простір із новими законами. Область, де час зміниться «місцем» із простором. Місцезнаходження майбутнього та минулого визначається лише вибором слідування. Подібно до нашого вибору йти праворуч або ліворуч.

Потенційно припустимо, що у Всесвіті існують цивілізації, які освоїли подорожі у часі через чорні дірки. Можливо, у майбутньому люди з планети Земля відкриють таємницю подорожі крізь час.

Сучасним астрономам відомо близько трьох з половиною тисяч екзопланет, що знаходяться від нас на відстані від чотирьох до двадцяти восьми тисяч світлових років. Деякі з них дуже. Потрапити на якусь із них у найближчому майбутньому буде складно - хіба що людство зробить величезний технологічний стрибок. Проте екзопланети вже сьогодні є величезним інтересом з погляду астрохімії. Про це наш новий матеріал, написаний у партнерстві з Уральським федеральним університетом.

Основну частину речовини Всесвіту (якщо говорити про баріонну речовину) становить водень – близько 75 відсотків. На другому місці йде гелій (близько 23%). Однак у космосі можна знайти найрізноманітніші хімічні елементи і навіть складні молекулярні сполуки, включаючи органічні. Вивченням процесів освіти та взаємодії хімічних сполукв космосі займається астрохімія. Представникам цієї спеціальності дуже цікаво дослідити екзопланети, тому що на них можуть реалізуватися різні сценарії, які призведуть до появи незвичайних сполук.

Веселка на службі в астрономів

Основним інструментом отримання інформації про хімічний склад віддалених об'єктів є спектроскопія. Вона використовує той факт, що атоми хімічних елементів (або молекули сполук) можуть випромінювати або поглинати світло лише на певних частотах, що відповідають переходам системи між різними рівнямиенергії. В результаті формується спектр випромінювання (або поглинання), яким можна однозначно визначити речовину. Це як відбитки пальців лише для атомів.

Наочним прикладом розкладання світла в спектр є веселка. Нам переходи від одного кольору до іншого здаються плавними і безперервними, а насправді деяких кольорів у веселці немає, тому що певні довжини хвиль поглинаються воднем і гелієм, що містяться в Сонці. До речі, гелій вперше відкрили саме за спостереженням за спектром Сонця (тому він і називається «гелій», від грец. ἥλιος - «сонце»), а в лабораторії його виділили лише через 27 років. Це був перший успішний прикладвикористання спектроскопії для вивчення зірок.

Фраунгоферові лінії поглинання на фоні безперервного спектру фотосфери Сонця.

Wikimedia commons

У найпростішому випадку атома водню спектр випромінювання є серією ліній, що відповідають переходам між рівнями з різними значеннями головного квантового числа n (ця картина добре описується формулою Рідберга). Найвідомішою та найзручнішою для спостережень є лінія Бальмера Hα, що має довжину хвилі 656 нанометрів і лежить в області видимого спектру. Наприклад, на цій лінії астрономи спостерігають за далекими галактиками і розпізнають хмари молекулярного газу, які здебільшого складаються з водню. Наступні серії ліній (Пашена, Брекета, Пфунда тощо) цілком лежать в інфрачервоному діапазоні, а серія Лаймана розташована в області ультрафіолетового випромінювання. Це дещо ускладнює спостереження.

У той самий час молекул складних сполук є інший спосіб випромінювати кванти світла, у сенсі навіть простіший. Пов'язаний він з тим, що обертальна енергія молекули квантується, що також дозволяє їм випромінювати в лініях (крім того, вони можуть випромінювати і безперервний спектр). Енергія таких квантів світла не дуже велика, тому їхня частота лежить уже в радіодіапазоні. Один із найпростіших обертальних спектрів належить молекулі чадного газу CO, по ній астрономи теж часто розпізнають хмари холодного газу, коли не можуть розгледіти в них водень. Методи радіоастрономії дозволили знайти в молекулярних хмарах також метанол, етанол, формальдегід, синильну та мурашину кислоту, а також інші елементи. Наприклад, саме за допомогою радіотелескопа вчені алкоголь у хвості комети Лавджоя.

Що можна знайти у космосі

Найпростіше методи спектроскопії застосовувати для вивчення хімічного складу зірок. І тут астрономи досліджують спектри поглинання, а чи не випромінювання елементів. Насправді світло від них легко спостерігати, особливо у видимому діапазоні. Правда, хімічний склад зірок сам по собі зазвичай не дуже цікавий: здебільшого вони складаються з водню та гелію з невеликою домішкою важких елементів.

Тяжкіші елементи утворюються у спалахах наднових, і їх теж можна спостерігати. Наприклад, деякі вчені стверджують, що після нещодавно злиття двох нейтронних зірокмали утворитися величезні кількостізолота, платини та інших елементів з останніх рядків таблиці Менделєєва. Але так чи інакше, дуже складні чи органічні сполуки у зірках існувати не можуть, оскільки вони обов'язково розпадаються через великі температури.

Інша справа – хмари холодного міжзоряного газу. Вони дуже сильно розріджені і випромінюють набагато слабше, ніж зірки, зате власними силами набагато більше. І склад у них цікавіший. У них можна знайти величезну кількість різних молекул - починаючи від простих двоатомних і закінчуючи відносно складними багатоатомними органічними сполуками. Серед складних молекул особливо варто виділити "пребіотичні" сполуки, наприклад, аміноацетонітрил, який може брати участь в утворенні гліцину, найпростішої амінокислоти. Деякі вчені припускають, що в молекулярних хмарах може утворитися і рибоза, одна з основних цеглинок органічного життя. Якщо такі сполуки потраплять у сприятливі умови, це вже буде щаблем виникнення життя.

Зображення туманності Оріону M42 отримане Коурівською астрономічною обсерваторією УрФУ. Червоний колір - це результат рекомбінації лінії випромінювання Hα на довжині хвилі 656,3 нанометра.

Трохи ближче до планет

На жаль, визначення хімічного складу екзопланет метод спектроскопії застосувати складно. Все-таки для цього потрібно зареєструвати світло від них, а зірка, довкола якої обертається планета, заважає це зробити, оскільки вона світить набагато яскравіше. Намагатися спостерігати за такою системою - все одно, що дивитися на світ сірника на тлі прожектора.

Тим не менш, деяку інформацію про екзопланет можна отримати, не вимірюючи спектр її випромінювання безпосередньо. Хитрість полягає у наступному. Якщо планета має атмосферу, вона повинна поглинати частину випромінювання зірки, причому в різних спектральних діапазонах по-різному. Грубо кажучи, на одній довжині хвилі планета здаватиметься трохи менше, а на іншій довжині трохи більше. Це дозволяє робити припущення про властивості атмосфери, зокрема, про її хімічний склад. Такий спосіб спостережень особливо добре працює на гарячих, близьких до зірок планетах, тому що їх радіус простіше вимірювати.

Крім того, хімічний склад планети повинен бути пов'язаний із складом газопилової хмари, з якої вона утворилася. Наприклад, у хмарах з великим ставленням концентрацій атомів вуглецю до атомів кисню планети, що утворюються, будуть складатися переважно з карбонатів. З іншого боку, хімічний склад зірки, що утворилася з такої хмари, також має відбивати її склад. Це дозволяє будувати деякі припущення, ґрунтуючись на вивченні спектру однієї зірки. Так, астрономи з Єльського університету проаналізували дані про хімічний склад 850 зірок і виявили, що в 60 відсотках систем концентрації магнію і кремнію в зірці вказують на те, що поряд з нею можуть бути кам'янисті планети, схожі на Землю. У 40 відсотках, що залишилися, хімічний склад зірок говорить нам про те, що склад планет навколо них повинен істотно відрізнятися від земного.

Взагалі кажучи, в Останнім часомПряма спектроскопія особливо гарячих планет на тлі тьмяних зірок все-таки стала можлива завдяки збільшеній точності вимірювальних приладів. У цьому випадку вже можна шукати в їхньому світлі сліди різних хімічних елементів і складних сполук. Наприклад, за допомогою ІЧ-спектрографа CONICA, встановленого на телескопі VLT та об'єднаного з системою адаптивної оптики NAOS, вченим вдалося виміряти спектр екзопланети HR 8799 c, яка обертається навколо білого карликаі розігріта так сильно, що сама випромінює світло. Зокрема, з аналізу її спектру випливало, що в атмосфері планети міститься менше, ніж очікувалося, метану та чадного газу. Також зовсім недавно астрономи виміряли спектр іншого гарячого юпітера, в його атмосфері оксид титану. Тим не менш, безпосередні виміри спектру менш гарячих кам'янистих планет (на яких існування життя більш ймовірне) до цих пір становить велику складність.

Зображення системи HR 8799. Планета HR 8799 c знаходиться у верхньому правому кутку

Jason Wang et al / NASA NExSS, W. M. Keck Observatory

Склад планети можна визначити побічно, розрахувавши її щільність. Для цього потрібно знати радіус та масу планети. Масу можна знайти, спостерігаючи за гравітаційною взаємодією планети із зіркою або іншими планетами, а радіус оцінити зі зміни блиску зірки при проходженні планети її диском. Очевидно, газові планети повинні мати меншу густину в порівнянні з кам'янистими. Наприклад, середня щільність Землі дорівнює приблизно 5,5 грама на кубічний сантиметр, і для пошуку планет, що живуть, астрономи орієнтуються саме на це значення. У той же час щільність «пухкого гарячого юпітера» складає 0,1 грама на кубічний сантиметр.

"Неможливі" з'єднання

З іншого боку, екзопланети можна вивчати і зовсім не виходячи з лабораторії, хоч би як дивно це звучало. Мова йдепро моделювання (в основному чисельному) хімічних та фізичних процесів, які мають на них відбуватися. Через те, що умови на екзопланетах можуть бути найекзотичнішими (вибачте за каламбур), речовини на них можуть утворитися теж найнезвичайніші, «неможливі» у звичних для нас умовах.

Більшість відкритих екзопланет відноситься до «гарячих юпітерів» - сильно розігрітих через невелику відстань до зірки газовим гігантам. Звичайно, це не обов'язково означає, що такі планети переважають у зіркових системахпросто їх легко знайти. Температура атмосфери таких гігантів може перевищувати тисячу градусів за Цельсієм, і складається вона переважно з пари силікатів і заліза (при такій температурі воно починає випаровуватися, але ще не кипить). Водночас, тиск усередині цих планет має досягати величезних значень, за яких водень та інші звичні для нас гази переходять у тверді агрегатні стани. Експерименти щодо моделювання подібних екстремальних умов проводяться давно, проте вперше металевий водень лише у січні цього року.

З іншого боку, в надрах кам'янистих планет також можуть досягатися більші тиски та температури, а «зоопарк» хімічних елементів там може бути навіть більшим. Наприклад, за деякими оцінками, тиск усередині кам'янистих планет з масами в кілька земних мас може досягати значень до 30 мільйонів атмосфер (усередині Землі тиск не перевищує чотирьох мільйонів атмосфер). За допомогою комп'ютерного моделюваннявдалося з'ясувати, що в таких умовах починають утворюватися екзотичні сполуки магнію, кремнію та кисню (яких у складі кам'янистих планет має бути багато). Наприклад, при тисках понад 20 мільйонів атмосфер стабільними стає не тільки звичний для нас оксид кремнію SiO 2 , але і неможливі SiO і SiO 3 . Також цікаво, що в надрах особливо масивних планет (до 20 мас Землі) може утворитися MgSi 3 O 12 - оксид, що має властивості електричного провідника.

Нестандартні умови можна моделювати не лише на комп'ютері, а й у лабораторії, хай і не для такого великого діапазону тиску та температури. За допомогою алмазного ковадла можна отримати тиск до 10 мільйонів атмосфер, що якраз відповідають умовам у надрах планет, а розігріти зразок до високих температурможна лазером. Експерименти з моделювання таких умов справді активно проводяться останнім часом. Наприклад, у 2015 році група вчених, до складу якої входили російські дослідники, експериментально спостерігали утворення пероксиду магнію MgO 2 вже при тисках близько 1,6 тисячі атмосфер і температурах більше двох тисяч градусів Цельсія. Докладно про дослідження поведінки речовини при більшому тиску ви можете прочитати в .

Рентгенівська спектроскопіязразка, що складається з атомів магнію і кисню, при тиску близько десяти тисяч атмосфер і температури близько двох тисяч Кельвін. Пунктиром виділена область із підвищеним вмістом кисню.

S. Lobanov et al / Scientific Reports

***

В УрФУ є група вчених, які займаються вивченням протопланетної речовини у далекому космосі та Сонячній системі. Ми попросили провідного спеціаліста Коурівської астрономічної обсерваторії УрФУ Вадима Крушинського докладніше розповісти про вивчення екзопланет.

N+1: Навіщо ми вивчаємо екзопланети?

Вадим Крушинський:Ще 25 років тому нам було відомо про існування єдиної планетної системи – Сонячної. Тепер же ми впевнені в тому, що планети мають величезну кількість зірок, можливо, майже кожна зірка у Всесвіті. Прогрес технологій отримання та обробки даних призвів до того, що знайти свою екзопланету може навіть просунутий аматор астрономії. Відкриття чергового «гарячого юпітера» – це відкриття цілої планетної системи, просто ми бачимо лише найпомітнішу її частину. Планети меншого розміру або ті, що знаходяться далі від батьківської зірки, відкриваються набагато рідше, це ефект спостережної селекції.

Вадим Крушинський у складі групи вчених Уральського федерального університетупрацює над проектом з дослідження протопланетної речовини у далекому космосі, Сонячній системі та на Землі.

Це один із шести проривних наукових проектівуніверситету, ним займається стратегічна академічна одиниця (САЄ) - Інститут природничих наукта математики УрФУ – разом з академічними та індустріальними партнерами з Росії та інших країн. Від успіху дослідників залежать позиції університету в російських та міжнародних рейтингах, Насамперед у предметних.

Одиничний експеримент не дозволяє робити висновки про явище, що спостерігається. Експеримент має бути повторений багаторазово та незалежно. Кожна відкрита екзопланетна система – це окремий незалежний експеримент. І що більше їх відомо, то надійніше простежуються загальні закони походження та еволюції планетних систем. Нам потрібно набирати статистику!

Що ж можна дізнатися про екзопланети, спостерігаючи за ними з таких великих відстаней?

Насамперед потрібно визначити властивості батьківської зірки. Це дозволяє обчислити розміри планет, їх масу та радіуси орбіт. Знаючи світність батьківської зірки та радіус орбіти, можна оцінити температуру поверхні екзопланети. Крім того, атмосфери планет мають різну прозорість у різних спектральних діапазонах (про це писав ще Ломоносов). Для спостерігача це виглядає як різний діаметр планети під час спостереження у різних фільтрах. Це дозволяє виявити атмосферу та оцінити її товщину та щільність. Світло батьківської зірки, що пройшло через атмосферу планети під час транзиту, містить інформацію про склад її атмосфери. А під час вторинного затемнення, коли планета ховається за свою зірку, ми можемо спостерігати зміни спектра, пов'язані з відображенням атмосфери та поверхні планети. Так само, як і у Місяця, у екзопланет можна спостерігати фази. Якщо зміни блиску системи, викликані цим ефектом, не постійні, це говорить про те, що альбедо планети (здатність відбивати світло) змінюється. Наприклад, внаслідок руху хмар у її атмосфері.

Властивості екзопланет мають бути пов'язані з властивостями батьківських хмар. Вивчаючи матерію на стадії зореутворення, ми вносимо внесок у розуміння еволюції планетних систем. На жаль, Земля зазнала значних змін у ході історії, і вже мало нагадує ту протопланетну речовину, з якої колись народилася. Але зовсім поруч із нами літають метеорити та комети. Деякі навіть падають на Землю і потрапляють у лабораторії. До якихось із них можуть долетіти космічні апарати. Прямо перед нами чудовий об'єкт дослідження! Залишається лише довести, що інші планетні системи еволюціонували так само, як наша.

Чи можна знайти життя на інших планетах?

Для цього потрібно виявити біомаркери – прояви життєдіяльності організмів. Найкращим біомаркером були передачі умовного «Першого каналу», але зійде і наявність кисню. Без життя кисень на Землі був би пов'язаний і зник із атмосфери за десяток тисяч років. Виявивши кисень в атмосферах екзопланет, ми зможемо стверджувати, що не самотні у Всесвіті. Як його знайти, було розказано вище. Але тільки приладів з достатньою чутливістю поки немає. Прорив у цьому напрямі очікується після запуску космічного телескопа ім. Джеймса Вебба (JWST).

Що можуть зробити в цій галузі вчені з Росії та, зокрема, з УрФУ?

Незважаючи на те, що в плані вивчення екзопланет Росія відстає від решти наукової спільноти, ми маємо можливість скоротити це відставання. Щодо малобюджетних програм з пошуку екзопланетних систем (пілотний проект KPS Коурівської обсерваторії УрФУ) дозволять зробити перший крок і допоможуть у наборі даних для статистичного аналізу. Високоточні фотометричні вимірювання можна проводити і на наявному устаткуванні, це дозволяє шукати атмосфери в деяких екзопланетах. Спектральні спостереження під час транзитів та вторинних затемнень відносно доступні найбільшим телескопам Росії. Що потрібно зробити для старту цих програм – знайти зацікавлених людей та оплатити їхню роботу. Небагато вкластися в обладнання.

Другий напрямок - моделювання та інтерпретація ефектів, що спостерігаються. Це може бути як теоретична робота, так і експериментальна - дослідження поведінки та властивостей зразків в умовах космосу та порівняння з ефектами, що спостерігаються. Для цього необхідно створення установки, що імітує умови космічного простору. Як зразки можна використовувати метеорити з колекції УрФУ.

Дмитро Трунін

Космохімія Космохімія- наука про хімічний склад космічних тіл, закони поширеності та розподілу хімічних елементів у Всесвіті, процеси поєднання та міграції атомів при утворенні космічної речовини. Геохімія – найбільш вивчена частина космохімії. Космохімія- наука про хімічний склад космічних тіл, закони поширеності та розподілу хімічних елементів у Всесвіті, процеси поєднання та міграції атомів при утворенні космічної речовини. Геохімія – найбільш вивчена частина космохімії.

Хімія Землі До складу земної коривходять: O – 46.6 % Ca – 3.63 % Al – 8.13 % Na – 2.83 % Si – % K – 2.59 % Fe – 5.0 % Mg – 2.0 % Усього – 98,59%

Хімічний склад метеориту Хімічні аналізи метеоритів, що впали на нашу планету, дали чудові результати. Якщо підрахувати середній вміст у всіх метеоритах найбільш поширених на Землі елементів: заліза, кисню, кремнію, магнію, алюмінію, кальцію, то їх частку падає рівно 94%, тобто їх у складі метеоритів дорівнює стільки ж, скільки в складі земної кулі.

Хімія міжзоряного простору Ще недавно в науці допускалося, що міжзоряне простір є порожнечею. Вся речовина Всесвіту зосереджена у зірках, а між ними немає нічого. Лише в межах Сонячної системи, десь невідомими шляхами, блукають метеорити та їх загадкові побратими – комети. Ще недавно в науці допускалося, що міжзоряне простір є порожнечею. Вся речовина Всесвіту зосереджена у зірках, а між ними немає нічого. Лише в межах Сонячної системи, десь невідомими шляхами, блукають метеорити та їх загадкові побратими – комети. Хімія міжзоряного простору – напрочуд складна. У космосі відкрили найпростіші радикали: наприклад, метин (CH), гидроксил (OH). Де є гідроксил, там має бути і вода, і вона була справді знайдена у міжзоряному просторі. У космосі є вода, органічні молекули(формальдегід), аміак. Ці сполуки, реагуючи між собою, можуть призвести до утворення амінокислот.

Місячна хімія Місячне каміння особливе - на їх складі позначається нестача кисню. На Місяці не було ні вільної води, ні атмосфери. Усі леткі сполуки, що виникли при магматичних процесах, відлетіли до космосу. Кам'яні метеорити складені простими силікатами, кількість мінералів у них ледь сягає сотні. У місячних породах мінералів трохи більше, ніж у метеоритах, - ймовірно, кілька сотень. На поверхні Землі відкрито понад 3 тис. мінералів. Це свідчить про складність земних хімічних процесів проти місячними.

Хімічний склад планет Меркурій - найближча до Сонця планета Меркурій покритий силікатними породами, подібними до земних. Склад атмосфери Венери Вуглекислий газ(СО2) близько 97 %, азоту (N2) трохи більше 2 %, водяної пари (Н2О) близько 1 %, кисню (О2) трохи більше 0,1 %.

Хімічний склад планет Атмосфера цієї планети складається з вуглекислоти, є трохи азоту, кисню та водяної пари. Радянські та американські вчені відправили автоматичні дослідницькі станції на Марс. Марс - холодна млява курна пустеля. Найцікавіша, найдивовижніша і загадкова планета з точки зору хімії – це Юпітер. На 98% Юпітер складається з водню та гелію. Виявлено також воду, сірководень, метан та аміак.

Хімічний склад планет Атмосфера Урану складається приблизно на 83% з водню, на 15% з гелію та на 2% з метану. Подібно до інших газовим планетамУран має смуги хмар, які дуже швидко переміщаються. Будова та набір складових Нептун елементів, ймовірно, подібні до Урану: різні "льоди" або затверділі гази з вмістом близько 15% водню і невеликої кількості гелію Атмосфера Сатурна - в основному водень і гелій.

МЕТАЛИ У КОСМОСІ Титан сьогодні – найважливіший конструкційний матеріал. Це пов'язано з рідкісним поєднаннямлегкості, міцності та тугоплавкості даного металу. На основі титану створено безліч високоміцних сплавів для авіації, суднобудування та ракетної техніки. Титан сьогодні – найважливіший конструкційний матеріал. Це з рідкісним поєднанням легкості, міцності і тугоплавкости даного металу. На основі титану створено безліч високоміцних сплавів для авіації, суднобудування та ракетної техніки.

Фулерени в космосі фулерени розгалужені ланцюжки вуглеводнів фулерени розгалужені ланцюжки вуглеводнів Фулерени вперше знайдені поза Чумацького ШляхуФулерени вперше знайдені поза Чумацького Шляху фулерени були знайдені у метеоритах фулерени були знайдені у метеоритах