Учёные давно задаются вопросом, как сложные молекулы, необходимые для жизни, могли сформироваться в бурной и агрессивной среде возле молодого Солнца. Согласно одной из теорий, семейство метеоритов, называемых «хондритами», доставило на Землю все необходимые для жизни ингредиенты. Однако оставался открытым вопрос, как сложные органические молекулы, содержащие такие элементы, как углерод, азот и кислород, оказались запечатанными в этих метеоритах изначально.
Новые исследования, проведённые международной командой учёных, показывают, что «горячей точкой» для формирования этих макромолекул, основных строительных блоков жизни, могут быть так называемые «пылевые ловушки» в дисках материи вокруг молодых звёзд. В них интенсивное излучение от молодой звезды может облучить накапливающиеся лёд и пыль, формируя углеродсодержащие макромолекулы всего за десятилетия, что относительно быстро.
Это означает, что макромолекулы могли уже присутствовать, когда более крупные планетезимали формировали планет. Эти астероиды затем могли быть разрушены повторными столкновениями, создавая более мелкие тела, некоторые из которых могли прибыть на Землю в виде метеоритов.
«Невероятно обнаружить новую важную роль пылевых ловушек в формировании макромолекулярной материи, которая может понадобиться планетам для возникновения жизни. Пылевые ловушки — это полезные области для частиц пыли, чтобы вырасти до гальки и планетезималей, которые являются строительными блоками планет», — рассказала член команды Паола Пинилла (Paola Pinilla) из Лаборатории космических наук Маллард в Университетском колледже Лондона.
Пинилла объяснила, что в этих областях очень маленькие частицы могут непрерывно воссоздаваться и пополняться в результате продолжающихся разрушительных столкновений. Эти крошечные зёрна размером с микрон могут легко подниматься в верхние слои сплющенного облака звездообразующего материала, которое окружает молодую звезду, называемого протопланетным диском. Оказавшись там, эти частицы могут получить необходимое количество излучения от своей молодой звезды, чтобы эффективно преобразовать крошечные ледяные частицы в сложную макромолекулярную материю.
Такие звёзды, как Солнце, рождаются, когда в массивных облаках межзвёздного газа и пыли образуются сверхплотные скопления. Сначала становясь протозвездой, «новорождённое» звёздное тело собирает материю из того, что осталось от его родительского облака, накапливая массу, необходимую для запуска ядерного синтеза водорода в гелий в его ядрах. Это процесс, который определяет время жизни звезды на «главной последовательности», которое для звезды с массой около массы Солнца продлится около 10 миллиардов лет.
Эта молодая звезда окружена протопланетным диском, который представляет собой материал, не израсходованный во время её создания. Как следует из названия, именно из этого материала и внутри диска формируются планеты, но он также объясняет происхождение комет и астероидов. Наша Солнечная система прошла этот процесс около 4,5 миллиардов лет назад.
Предыдущие исследования, проведённые в лабораториях, показали, что когда эти протопланетные диски облучаются звёздами, внутри них могут образовываться сложные молекулы из сотен атомов. Эти молекулы состоят в основном из углерода и похожи на чёрную сажу или графен.
Пылевые ловушки — это места с высоким давлением в протопланетных дисках, где движение молекул замедляется, а частицы пыли и льда могут накапливаться. Более низкие скорости в этих областях позволяют частицам расти и, по большей части, избегать столкновений, вызывающих фрагментацию. Это означает, что они могут участвовать в формировании планет.
Команда хотела узнать, может ли излучение, которое приносит звёздный свет в эти области, вызвать образование сложных макромолекул, и использовала компьютерное моделирование для проверки этой идеи. Модель была основана на данных наблюдений, собранных ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), массивом из 66 радиотелескопов на севере Чили.
«Наше исследование — это уникальное сочетание астрохимии, наблюдений с ALMA, лабораторных работ, данных об эволюции пыли и изучения метеоритов нашей Солнечной системы. Суперкруто, что теперь мы можем использовать модель, основанную на наблюдениях, чтобы объяснить, как могут образовываться большие молекулы», — сказала член команды Нинке ван дер Марел (Nienke van der Marel) из Лейденского университета.
Модель показала, что создание макромолекул в пылевых ловушках является реалистичным сценарием. «Мы, конечно, надеялись на этот результат, но то, что он оказался столь очевидным, стало приятным сюрпризом. Я надеюсь, что коллеги будут уделять больше внимания влиянию тяжёлой радиации на сложные химические процессы. Большинство исследователей фокусируются на относительно небольших органических молекулах размером в несколько десятков атомов, тогда как хондриты в основном содержат крупные макромолекулы. В ближайшем будущем мы ждём возможности изучить эти модели с помощью дополнительных лабораторных экспериментов и наблюдений», — сказал руководитель группы Нильс Лигтеринк (Niels Ligterink) из Бернского университета.
