Как водород-невидимка переписывает химию космоса экспресс
Мяч катится на холм, но сил не хватает — и он скатывается обратно. Так велит классическая механика. А в квантовом мире крошечная частица иногда проходит холм насквозь, будто и не замечая преграды. Этот фокус — туннелирование — для лёгкого атома водорода обычное дело.
В холодных облаках межзвёздного пространства температура опускается до десяти градусов выше абсолютного нуля. Энергии для химических столкновений почти нет, но именно здесь рождаются сложные молекулы — в том числе ароматические, похожие на бензольные кольца. Авторы работы проверили, как часто атом водорода пускает в ход свой квантовый трюк, чтобы ускорить реакции с молекулярным водородом H₂. Они просеяли большую базу данных KIDA и нашли 64 реакции, где туннелирование может играть роль.
Четыре самых интересных реакции изучили с помощью новых расчётов поверхностей потенциальной энергии и метода RRKM. Для радикалов C₂H, OH и CN скорости составили 1.66×10⁻¹⁵, 8.17×10⁻¹⁶ и 3.15×10⁻¹⁶ см³/с — величины исчезающе малые. Но из-за огромного обилия H₂ эти реакции успевают перерабатывать заметную долю радикалов и конкурируют с другими процессами. А вот для NH₂ туннелирование не помогло: скорость слишком мала даже для космических масштабов.
Затем учёные смоделировали, как эти ускоренные реакции влияют на обилие ароматических молекул. Особое внимание уделили иону циклопропенилия c-C₆H₅⁺ — ключевому игроку в образовании бензольных колец. Варьируя скорость реакций с его участием, авторы получили верхние и нижние границы для концентраций ароматики в типичном молекулярном облаке. Туннелирование водорода способно заметно сдвинуть эти оценки — а значит, наши модели межзвёздной химии нужно обновлять, чтобы понять, откуда в космосе берутся сложные органические молекулы.
При температуре 10 К большинство химических реакций замирает, но туннелирование позволяет атому водорода просачиваться сквозь энергетический барьер, как вода сквозь трещины в камне — медленно, но неотвратимо.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетные формы жизни используют квантовые эффекты для выживания в экстремальной среде — примерно так же, как туннелирующий водород помогает строить молекулы в глубоком космосе.