Дмитрий Вибе

Астроном

Премия Кавли за сочетание химии и астрономии

Норвежская академия наук в этом году присудила премию Кавли за научные заслуги в области нейрофизиологии, нанотехнологий и астрофизики. Премию в размере один миллион долларов США получат нейрофизиологи из США и Франции Джеймс Хадспет, Роберт Феттиплейс и Кристин Пети за новаторские работы по исследованию молекулярных и нейронных механизмов слуха; разработчики технологии CRISPR-Cas9 из Германии, США и Литвы Эммануэль Карпентер, Дженнифер Дудна и Виргиниус Шикшнис; а также нидерландский астрохимик Эвина ван Дисхук «за ее вклад в теоретическую, наблюдательную и экспериментальную астрохимию, позволивший выяснить жизненный цикл межзвездных облаков и механизмы образования звезд и планет». О заслугах нового лауреата премии Кавли Эвины ван Дисхук по просьбе N + 1 рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН Дмитрий Вибе.

Современная наука делается большими коллективами. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть списки авторов профессиональных статей о недавних научных открытиях. Вероятно, Нобелевскому комитету уже сейчас нелегко бывает определить, кто именно из длинного списка авторов должен ехать в Стокгольм; в будущем эта задача только усложнится. При этом и выбор отмечаемого открытия, и выбор конкретных лауреатов довольно часто вызывают нарекания.

Один из самых верных способов исправить «ошибки» Нобелевского комитета состоит в том, чтобы учредить собственную премию. Именно так поступил Фред Кавли. Его премия предназначена ученым, добившимся выдающихся достижений в астрофизике, неврологии и нанотехнологиях. Впервые эта премия была вручена в 2008 году и с тех присуждается раз в два года.

Лауреатом премии 2018 года в области астрофизики стала Эвина ван Дисхук, профессор Лейденского университета, всемирно известный специалист в области астрохимии и физики звездообразования. Отличительная особенность премии Кавли состоит в том, что она присуждается не за конкретное исследование, а по совокупности заслуг. Среди работ, в которых участвовала Э. ван Дисхук, действительно сложно выделить какую-то одну, особенно выдающуюся, но ее суммарный вклад в астрономию сложно переоценить. Она является соавтором более полутысячи научных статей, посвященных и наблюдениям, и теоретическим исследованиям, и организации наблюдательных программ. Эвина ван Дисхук — очень разносторонний специалист. Но мне бы хотелось особенно отметить наименее «публичную» область ее деятельности — астрохимию.

Когда в конце 1930-х годов в межзвездном пространстве были обнаружены первые химические соединения, их происхождение не казалось особой проблемой: в конце концов, это были простые двухатомные молекулы, которые могли появиться либо в результате столкновения двух атомов, либо в результате разрушения пылинок… Да мало ли еще как. Однако к началу 1970-х годов количество известных межзвездных молекул начало быстро увеличиваться, и стало ясно, что простыми столкновениями атомов в описании межзвездной химии не обойтись; нужен более вдумчивый подход. И развитие такого подхода важно далеко не только для того, чтобы объяснить сам факт существования межзвездных молекул. Наблюдения этих молекул являются важным источником информации не только о химических, но и о физических процессах, происходящих в межзвездной среде, в частности, о процессах рождения звезд и планет. И если мы не будем понимать причудливые траектории межзвездных химических реакций, нам будет очень сложно правильно интерпретировать эти наблюдения.

Математически задача моделирования химической эволюции межзвездного вещества, при условии, что вам известны все необходимые параметры химических реакций, довольно проста (если не отвлекаться на детали, в которых дьявол) — это просто система обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). Берете готовый код для решения системы ОДУ, задаете начальные содержания элементов, плотность и температуру, запускаете в среду электромагнитное излучение и космические лучи, нажимаете кнопку Enter и спокойно наблюдаете, как в смеси атомов постепенно рождаются молекулы гидроксила, воды, оксида углерода, азота, аммиака, метана — всего, по современным понятиям, несколько сотен наименований (наблюдаются из них порядка 180).

Но для этого необходимо знать параметры химических реакций в космосе, а где их взять, если условия в наших земных лабораториях разительно отличаются от условий в космическом пространстве? И вот здесь просматривается разница между учеными различных специализаций. Проще всего прославиться наблюдателю. И не потому, что от него требуется меньшее мастерство, нет. Но результаты наблюдений гораздо легче представить и объяснить: обнаружена интересная молекула, обнаружена самая большая молекула, молекула обнаружена там, где ее никак не ожидали увидеть… Численным моделированием добиться явного успеха в астрохимии сложнее. Что тут можно придумать? Предсказать возможность наблюдения ранее неизвестной молекулы? Как-то вяло. Пока молекула только предсказана, но не открыта, радоваться нечему. Когда она открыта именно там, где ее предсказывали, это уже скучно.

Что же говорить о людях, которые просто методично и скрупулезно рассчитывают или измеряют параметры химических реакций или излучательные свойства молекул? Они всего лишь делают ту работу, без которой наблюдатели не смогут интерпретировать наблюдения, а теоретики — проводить свои расчеты. Особенность этой работы состоит еще и в том, что ею должны заниматься не астрономы, а химики, которые должны каким-то образом узнать об астрономических проблемах и заинтересоваться ими.

Эвина ван Дисхук являет собой именно такое счастливое сочетание. Она химик по образованию, но на самом раннем этапе карьеры заинтересовалась астрономией. Ее диссертационная работа называется «Фотодиссоциация и возбуждение межзвездных молекул». Эта тематика определила одно из основных направлений деятельности Э. ван Дисхук и позволила ей стать одной из ключевых персон в современной астрохимии. Без работ ван Дисхук было бы невозможно заниматься исследованием наиболее интересных с химической точки зрения регионов межзвездной среды — так называемых фотодиссоциационных областей (ФДО), то есть переходных областей, разделяющих холодный молекулярный и горячий ионизованный газ. Они возникают, например, там, где на поверхность молекулярного облака начинает светить недавно родившаяся (возможно, в этом самом облаке) горячая звезда.

Падая на облако, излучение звезды сильно поглощается космической пылью и в глубину облака не проникает, но оказывается способным создать на его поверхности относительно тонкий слой вещества с богатой химией, возникающей и за счет нагрева вещества излучением, и испарения молекул с поверхностей пылинок, и фотодиссоциации сложных молекул на меньшие химически активные фрагменты. Можно сказать, что излучение в этой ситуации играет роль ножа, рассекающего поверхность молекулярного облака и позволяющего заглянуть в его недра. Интерпретировать результаты такого препарирования невозможно, не зная скоростей фотопроцессов, не зная особенностей взаимодействия с излучением различных молекул. И в этой деятельности без результатов Эвины ван Дисхук вам не обойтись.

Не менее важная часть деятельности астрохимика состоит в том, чтобы связать между собой результаты расчета и результаты наблюдений, то есть не только предсказать содержание определенной молекулы в определенном объекте, но и предвычислить, на какой частоте и насколько интенсивно эта молекула будет излучать сама или поглощать фоновое излучение. Иными словами, желательно уметь предсказывать, какой сигнал будет зафиксирован при наблюдениях конкретного объекта на конкретном телескопе — вычисления такого рода называются синтетическими наблюдениями. Поскольку излучение молекул, как правило, связано с их вращением или внутренними колебаниями, для создания синтетических наблюдений необходимы сведения о движениях атомов в молекуле и о том, как эти движения меняются при столкновениях молекулы с другими частицами газа. Эвина ван Дисхук является одним из создателей базы данных LAMDA, в которой собраны эти и другие параметры, необходимые для моделирования переноса излучения в спектральных линиях межзвездных молекул.

Разумеется, премию Кавли Эвина ван Дисхук получила не только за эти работы и даже не столько за них. Она активно участвовала и участвует в огромном количестве наблюдений областей звездообразования и протопланетных дисков, в теоретическом моделировании этих объектов, в лабораторных исследованиях параметров химических реакций и спектральных свойств молекул. При этом она не только большой ученый, но еще и деятельный организатор науки, внесший большой вклад в развитие астрономических исследований в Лейденском университете, в том числе такого редкого направления, как лабораторная астрохимия. Эвина ван Дисхук — талантливый педагог; ее многочисленные ученики уже сами стали известными учеными. Она сыграла важную роль в создании флагманского корабля армады современных астрономических инструментов — интерферометра субмиллиметрового диапазона ALMA. Премия Кавли — не первая награда Эвины ван Дисхук. Ее заслуги отмечались уже не один раз, причем, что характерно, не только астрономическим, но и химическим сообществом. Наконец, в августе ей предстоит стать очередным президентом Международного астрономического союза.

Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.