Молекула-невидимка учит химию космоса экспресс
Две гитарные струны натянуты на одном грифе. Они почти одинаковы, но одна чуть короче — и звучат по-разному. Примерно так устроены два изомера этанимина: молекулы с одинаковым набором атомов, но по-разному повёрнутые в пространстве. Астрономы заметили эту молекулу в густых облаках у центра нашей Галактики. Этанимин интересен тем, что относится к «предбиотическим» — из таких кирпичиков, возможно, собирались первые шаги к жизни.
В холодном газе молекулы всё время сталкиваются с соседями — в основном с атомами гелия и молекулами водорода. Каждый толчок заставляет молекулу крутиться быстрее или медленнее. Обычно от частых столкновений вращение приходит к равновесию: быстрые и медленные «волчки» распределяются по строгому закону, как песок, осевший после встряски. Но наблюдения показали, что этанимин ведёт себя иначе: его вращательные состояния застыли в неравновесном узоре. Это значит, что столкновения и высвечивание энергии в пространство тянут одеяло в разные стороны, и ни одно не побеждает.
Чтобы разобраться, авторы построили подробную карту того, как атом гелия взаимодействует с каждым из двух изомеров. Получились «поверхности потенциальной энергии» — по сути, рельеф сил, действующих между частицами при сближении. Дальше на этой карте разыграли три сценария столкновений: полностью квантовый (самый точный, но тяжёлый), упрощённый квантовый и смешанный квантово-классический. Оказалось, что при ударе молекула предпочитает менять вращение строго определённым образом: либо «катиться» вокруг одной оси, не меняя скорость вокруг другой, либо наоборот. Это похоже на волчок, который при щелчке меняет наклон, но сохраняет скорость вращения.
Самое практичное из находок — смешанный квантово-классический метод неплохо справляется при высоких энергиях столкновений. Это как перейти от ручной гравировки к литографии: быстрее, дешевле и почти не теряешь в деталях. Теперь, подставив вычисленные вероятности переходов в модели переноса излучения, астрономы смогут точнее читать химический состав далёких облаков — тех самых, где из этанимина и его соседей, возможно, рождались первые органические цепочки.
Этанимин состоит всего из 8 атомов (два углерода, пять водородов и азот), но его два изомера отличаются так же, как левая и правая перчатки — и космос «видит» эту разницу.
В романе Карла Сагана «Контакт» инопланетный сигнал содержал чертежи машины, но для её постройки требовалось понять химию межзвёздной среды — как раз ту, которую уточняют расчёты столкновений.