Как связаны лазеры, космос и молекулярная химия?

Едва ли большинство из нас часто задумывается о том, какие молекулы составляют все вокруг нас и в том числе во Вселенной. Между тем, по мере того как мы удаляемся от нашей планеты, число сложных химических процессов возрастает с бешеной скоростью. Космическое пространство – как и межзвездные и межгалактические области – на самом деле содержит множество молекул. Вот только как именно эти молекулы образовались и как превратились в те сложные химические процессы, что мы наблюдаем сегодня – по-прежнему неизвестно. Считается, что ранняя Вселенная состояла всего из нескольких видов атомов, и только в возрасте 100 000 лет водород и гелий объединились, образовав первую молекулу – гидрид гелия. Однако, хотя теоретически он существовал, обнаружить его не удавалось. Дальнейшие попытки, вероятно, могли закончиться неудачей, но команда ученых из Софийского научного центра NASA исправила ситуацию, обнаружив сигнатуру недостающей молекулы в нашей собственной галактике. А результаты исследования британских ученых и вовсе поражают воображение. Но обо всем по порядку.

Химия окружает нас повсюду, а ученые, наконец, обнаружили недостающие молекулы

Сложные химические процессы

В 1997 году ученые получили Нобелевскую премию по физике за охлаждение и улавливание атомов щелочи в лазерном свете. Но молекулы более хрупкие, чем атомы: они могут вращаться и вибрировать. В ходе эксперимента молекулы газа, попав в ловушку лазерного света, столкнулись друг с другом, но некоторые просто исчезли.

Тогда ученые предположили, что потеря молекул произошла в результате реакций — две молекулы столкнулись друг с другом, и вместо того, чтобы разойтись в разных направлениях, они превратились во что-то новое. Но как?

Ответ, как оказалось, скрывает в себе свет. В ходе нового исследования, результаты которого описаны в The Harvard Gazette, ученые использовали лазеры для манипулирования этим промежуточным комплексом — серединой химической реакции — и обнаружили, что свет вытеснил молекулы с их типичного пути реакции и привел к новому.

Исследователи раскрывают тайны Вселенной, захватывая ультрахолодные молекулы в середине химической реакции

По словам авторов работы, пара молекул, склеенных вместе в качестве промежуточного состояния, может «возбудиться» вместо того, чтобы следовать своим традиционным путем. Молекулы щелочей особенно восприимчивы из-за того, как долго они находятся в промежуточном состоянии.

В ходе исследования команда охладила две молекулы калия-рубидия чуть выше абсолютного нуля. Это позволило обнаружить то самое «недостающее звено» – пространство, в котором реагенты превращаются в продукты, в течение примерно 360 наносекунд (что почти в миллион раз дольше, чем в реакциях с более высокой температурой). Наблюдение за этой трансформацией, по мнению авторов исследования, может рассказать что-то новое о том, как устроены и взаимодействуют молекулы – основа всего сущего.

С типичными комплексами, такими как те, которые находятся в реакции при комнатной температуре, вы бы ничего не смогли сделать, потому что они очень быстро распадаются на продукты, – пишут исследователи.

Кстати, одним из наиболее интригующих свойств лазерных лучей является их способность улавливать молекулы и манипулировать ими. В физике ультрахолодных температур – это метод захвата и управления атомами, наблюдения за ними в их квантовом основном состоянии или принуждения их к реакции.

Лазеры, молекулы и другие вопросы

Напомним, что определенные длины волн света (например, инфракрасный, который команда использовала для возбуждения молекул калия-рубидия) могут создавать различные пути реакции, но никто не знает, какие длины волн посылают молекулы в какие новые образования. В дальнейшем исследователи планируют изучить, как выглядит этот сложный молекулярный комплекс на различных стадиях трансформации.

Так выглядит оптический резонатор, используемый для точной настройки лазеров, которые затем улавливают и охлаждают молекулы

Чтобы исследовать его структуру, мы можем изменять частоту света и видеть, как меняется степень возбуждения, – отмечают авторы новой работы. Так мы сможем выяснить, где находятся энергетические уровни этой недостающей молекулы и что это говорит о ее квантово-механической конструкции. Словом, все очень сложно.

Авторы научной работы надеются, что их исследование послужит образцом для подобных исследований в будущем. В конце концов, это пример того, как ученые могут исследовать другие низкотемпературные реакции, в которых не участвуют калий и рубидий.

Эта реакция, как и многие другие химические реакции, является своего рода самостоятельной Вселенной. С каждым новым наблюдением команда раскрывает крошечную часть гигантского квантового слона. А поскольку в известной Вселенной существует бесконечное количество химических реакций, на еще очень многое предстоит узнать. Кстати, о птичках.

Недостающая молекула

Итак, вернемся к самому началу статьи – в декабре 2016 года исследовательская команда NASA сконструировала новый аппарат, способный проводить химические реакции при самых низких температурах. Непредвиденным преимуществом было то, что ультрахолодные температуры настолько замедлили реакцию, что исследователи впервые в реальном времени увидели, что происходит во время химического превращения.

И хотя реакции считались слишком быстрыми для измерения, ученым удалось определить время жизни этой реакции — и в процессе разгадать тайну недостающих молекул.

Учёные впервые обнаружили молекулу гидрида гелия в космосе

Важно отметить, что ранее ученым удалось успешно объединить гелий и ионный водород для создания гидрида гелия в лаборатории. Затем они предположили, что астрофизическая плазма, подобная той, что обнаружена в планетарных туманностях – расширяющаяся оболочка пыли, которая была выброшена из звезды, когда у нее закончилось топливо – обеспечила идеальную среду для образования гидрида гелия.

Молодая плотная планетарная туманность NGC 7027, расположенная примерно в 3000 световых годах от Земли в созвездии Лебедя, казалась идеальным кандидатом. Однако инструмент для измерения ее сигнала был изобретен только в 2016 году. Тогда же крупнейшая в мире воздушная обсерватория SOFIA позволила ученым наблюдать NGC 7027 над мешающими слоями атмосферы Земли и четко различить неуловимую сигнатуру гидрида гелия (HeH+). Вот такая удивительная химия, физика, астрономия и наша Вселенная.

Источник