Астрохимики нашли «спрятавшееся» межзвездное железо

Американские астрохимики численно рассчитали структуру и спектр поглощения кластеров железа, присоединивших молекулу полиина, и обнаружили, что спектр такого соединения практически не отличается от спектра чистого полиина. Это открытие может объяснить, почему спектрометры не видят следы железа в межзвездном газе. Кроме того, работа ученых объясняет, как из нестабильных полиинов собираются сложные органические молекулы, состоящие из десятков атомов углерода. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.

Железо является одним из самых распространенных элементов во Вселенной: относительная концентрация атомов железа-26 составляет около n ≈ 0,0011, что уступает только водороду (n ≈ 0,739), гелию (n ≈ 0,240), кислороду (n ≈ 0,0104), углероду (n ≈ 0,0046) и неону (n ≈ 0,0013). Среди тяжелых и тугоплавких элементов конкурентов у железа нет вообще. Такая популярность железа связана с тем, что к его ядру энергетически невыгодно присоединять новые нуклоны — следовательно, более тяжелые ядра могут рождаться только в сравнительно редких вспышках сверхновых. Железо же является конечным звеном в цепочке звездного нуклеосинтеза, который идет во Вселенной повсеместно.

Разумеется, большая часть железа находится внутри звезд, которые его производят, и внутри планет, на которых оно конденсируется в привычное металлическое состояние. Кроме того, можно ожидать, что атомов железа пропорционально много в межзвездном газе. Однако спектроскопические наблюдения обнаружили гораздо меньше газообразного железа, чем ожидали теоретики. Это указывало на то, что большинство межзвездных атомов железа объединяются в сложные соединения со спектром, который «маскируется» под более привычные соединения. Тем не менее, до сих пор ученые не могли подтвердить эту гипотезу.

Группа астрохимиков под руководством Франка Тиммеса (Frank Timmes) наконец нашла соединение, в котором может «спрятаться» межзвездное железо. Расчеты ученых показывают, что атомы железа объединяются в кластеры, напоминающие фуллерены, а потом присоединяют распространенные в межзвездной среде углеводороды, например, полиины. Инфракрасный спектр таких соединений почти не отличается от чистых углеводородов, поэтому астрономы легко могли их проглядеть.

В качестве примеров кластеров, в которые объединяются атомы железа, ученые рассматривали Fe₄ (тетраэдр), Fe₁₂ (икосаэдр) и Fe₁₃ (икосаэдр с запертым внутри атомом), к которым присоединяли цепочки полиинов C₂H₂, C₆H₂ и C₁₀H₂. Полиины — это полимерные соединения с чередующимися тройными (как в молекуле ацетилена) и одинарными углеродными связями. С помощью теории функционала плотности с функционалом OPBE ученые находили оптимальную форму молекулы, при которой энергия связи была максимальна, а затем рассчитывали спектр ее поглощения в инфракрасном диапазоне. В результате исследователи обнаружили, что спектры чистого полиина и полиина, «приклеенного» к железному кластеру с минимальной энергией, практически совпадают. Поэтому авторы заключают, что «потерянные» атомы межзвездного железа все время были на виду — просто точности спектрометров не хватало, чтобы их заметить.

Кроме того, работа ученых может объяснить другую загадку космической химии — механизм формирования сложных углеводородов, содержащих десятки атомов углерода (в частности, фуллеренов). Вообще говоря, такие соединения можно собрать из полиинов, которые сравнительно широко распространены в межзвездном газе, однако сама по себе такая реакция идет слишком медленно из-за нестабильности промежуточных соединений. К счастью, работа группы Тиммеса показывает, что промежуточные соединения можно стабилизировать, присоединяя к ним железные кластеры. Таким образом, железо не просто прячется в межзвездном газе, но и играет важную роль при синтезе сложных соединений. Впрочем, при текущей точности спектрометров проверить теоретические предсказания ученых нельзя.

За последние десять лет точность спектроскопических измерений значительно выросла, и теперь астрономы регулярно находят в космосе сложные химические соединения, в том числе органические. В частности, за последние три года ученые нашли в межзвездном пространстве окись пропилена С₃H₆O, метилизоцианат CH₃NCO, метилхлорид CH₃Cl, глицин H₂N-CH₂-COOH и катионы бакминстерфуллерена С₆₀⁺. Подробнее про спектроскопические исследования и поиски внеземных химических соединений можно прочитать в материале «Космическая химия».

Дмитрий Трунин