Исследователи обнаружили, как в планетарной туманности формируются сложные углеродные молекулы

Учёные долгое время были озадачены существованием в межзвёздном пространстве так называемых бакиболов — сложных углеродных молекул, похожих структурой на футбольный мяч. Недавно команда из Аризонского университета (The University of Arizona) в исследовании, опубликованном в журнале The Astrophysical Journal Letters, предложила описание механизма их формирования.

Углерод 60, или сокращённо C₆₀, официальное название которого «бакминстерфуллерен», состоит из сферических молекул, включающих по 60 атомов углерода, свёрнутых в пятиатомные и шестиатомные кольца. Название «бакибол» происходит от сходства этой молекулы с архитектурными работами Ричарда Бакминстера Фуллера (Richard Buckminster Fuller), который спроектировал множество купольных конструкций, похожих на C₆₀.

Ранее считалось, что формирование C₆₀ возможно только в лабораторных условиях и что в межзвёздном пространстве могут находиться только лёгкие молекулы: одиночные атомы, двухатомные молекулы, максимум — молекулы из 9—10 атомов. Но в апреле этого года с помощью телескопа Hubble бакиболы были обнаружены в космосе. Хотя их замечали там и раньше, но это было неточно.

Исследователи были удивлены тем, что найденные сложные молекулы состоят из чистого углерода. В лаборатории C₆₀ синтезируют путём взрывания вместе чистых источников углерода, таких как графит. В космосе C₆₀ был обнаружен в планетарных туманностях, которые состоят их обломков умирающих звёзд. В этой среде на каждую молекулу углерода приходится около 10000 молекул водорода.

«Присутствие водорода должно препятствовать синтезу фуллеренов, — говорит ведущий автор статьи, аспирант Университета Аризоны, Джейкоб Бернал (Jacob Bernal). — Представим, что у вас есть коробка с шариками, и на каждые 10 000 водородных шариков приходится один углеродный. И вы их постоянно перемешиваете. Насколько вероятно, что в таких условиях сгруппируются в одном месте 60 углеродных шариков? Вероятность исчезающе мала».

Бернал и его соавторы начали исследовать механизм образования C₆₀ после того, как поняли, что просвечивающий электронный микроскоп(transmission electron microscope, TEM), размещённый в Центре визуализации и характеризации материалов Койпера (Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility) Университета Аризоны, достаточно хорошо умеет имитировать среду планетарной туманности.

Этот TEM, финансируемый Национальным научным фондом США (National Science Foundation) и NASA, является первым микроскопом с такой конфигурацией в мире. Его 200000-вольтовый пучок электронов может исследовать материю в глубину до 78 пикометров — размеров непостижимых человеческим мозгом — позволяющих видеть отдельные атомы. Он работает с вакуумной средой и с очень низким давлением. Отсутствие давления в ТЕМ очень близко к параметрам давления в околозвёздных средах. Этот микроскоп не адаптировали специально для исследования C₆₀, он такой и был изначально, потому что если вы попытаетесь получить изображение с высоким разрешением с помощью обычного электронного микроскопа, атмосферные молекулы будут мешать — для этого и нужен вакуум.

Команда сотрудничала с Аргоннской национальной лабораторией (Argonne National Lab) Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy), расположенной в окрестностях Чикаго, в которой стоит TEM, пригодный к изучению радиационных реакций материалов. Учёные поместили карбид кремния, материал, из которого состоит звёздная пыль, в среду с низким давлением в микроскопе TEM. Затем они воздействовали на исследуемый материал температурой до ~999 °C и облучили его высокоэнергетическими ионами ксенона.

Затем экземпляр был возвращён в Тусон, Аризона, для дальнейших исследований, так как у Университета Аризоны — TEM с большим разрешением. Там они смогли исследовать экземпляр более детально.

Они думали, что если кремний станет разлетаться и углерод окажется подверженным воздействию среды, их гипотеза будет подтверждена. Так и оказалось, кремний оторвался от образца, и остались слои углерода в кольцах из шести элементов, а это графит. И затем, когда куски графита имели неровную поверхность, образовались пятичленные и шестичленные кольца, которые выстроились в сферические структуры, соответствующие диаметру C₆₀. Учёные считают, что это и есть C₆₀.

Получается, что C₆₀ в космосе формируется из пыли карбида кремния, образованной умирающими звёздами. Затем она подвергается воздействию высоких температур, ударных волн и частиц высокой энергии, таким образом кремний вымывается с поверхности, оставляя только углерод на частицах. Бакиболы рассеяны по космосу, потому что умирающие звезды выбрасывают свой материал в межзвёздную среду. Эти молекулы очень устойчивы к радиации, что позволяет им выживать в течение миллиардов лет, если не попадают в суровые космические среды.

«Мы думали, что сложные молекулы будут разрушаться в космосе, но оказалось, что вселенная наоборот предоставляет дружественную среду для их образования», — пояснил Бернал.