Astrokimyo

Astronomiya va kimyo fanlarining bir tarmogʻi sifatida astrokimyo tarixi ikki sohaning umumiy tarixiga asoslanadi. Ular: ilgʻor kuzatuv va eksperimental spektroskopiyaning rivojlanishi quyosh tizimlari va uning atrofidagi yulduzlararo muhitda doimiy ravishda koʻpayib borayotgan molekulalar qatorini aniqlash imkonini berdi. Oʻz navbatida, spektroskopiya va boshqa texnologiyalardagi yutuqlar natijasida topilgan kimyoviy moddalar sonining ortib borishi astrokimyoviy tadqiq qilish uchun mavjud boʻlgan kimyoviy makonning hajmi va miqyosini oshirdi.

Spektroskopiya tarixi

Quyosh spektrlarini spektroskop orqali kuzatishlar birinchi boʻlib Afanasius Kircher (1646), Yan Marek Marsi (1648), Robert Boyl (1664) va Franchesko Mariya Grimaldi (1665) tomonidan amalga oshirilgan. Bu esa Nyutonning 1666-yildagi yorugʻlikning spektral tabiatini aniqlagan ishidan oldin sodir boʻlgan^[2]. Spektroskopiya birinchi marta astronomik usul sifatida 1802-yilda quyosh nurlanishida mavjud boʻlgan spektral chiziqlarni kuzatish uchun spektrometr qurgan Uilyam Xayd Uollastonning tajribalari bilan qoʻllanilgan^[3]. Keyinchalik bu spektral chiziqlar Jozef Von Fraungoferning ishi orqali miqdoriy aniqlangan.

Spektroskopiya — birinchi marta Charlz Uitstonning 1835-yilda turli metallar chiqaradigan uchqunlar aniq emissiya spektrlariga ega ekanligi haqidagi hisoboti nashr etilgandan keyin turli materiallarni farqlash uchun ishlatilgan^[4]. Keyinchalik bu kuzatish Léon Fucault tomonidan aniqlangan boʻlib, u 1849-yilda bir xil yutilish va emissiya chiziqlari har xil haroratlarda bir xil materialdan kelib chiqishini koʻrsatdi. Anders Jonas Angström tomonidan ekvivalent bayonot 1853-yilgi "Optiska Undersökningar" asarida mustaqil ravishda ilgari surilgan boʻlib, unda yorugʻlik gazlari yorugʻlik nurlarini oʻzlashtira oladigan yorugʻlik bilan bir xil chastotalarda yorugʻlik nurlarini chiqarishi nazariyasi ilgari surilgan.

Ushbu spektroskopik maʼlumotlar Johann Balmerning vodorod namunalari tomonidan koʻrsatilgan spektral chiziqlar Balmer seriyasi deb nomlanuvchi oddiy empirik bogʻlanishga rioya qilganligini kuzatishi bilan nazariy ahamiyatga ega boʻldi. Ushbu seriya, vodorod uchun kuzatilgan spektral chiziqlarni tasvirlash uchun yaratilgan 1888-yilda Johannes Rydberg tomonidan ishlab chiqilgan umumiyroq Ridberg formulasining maxsus holatidir. Ridbergning ishi bir nechta turli xil kimyoviy elementlar uchun spektral chiziqlarni hisoblash imkonini berish orqali ushbu formulaga asoslanib kengaytirildi^[5]. Ushbu spektroskopik natijalarga berilgan nazariy ahamiyat kvant mexanikasining rivojlanishi bilan sezilarli darajada kengaytirildi, chunki nazariya bu natijalarni apriori hisoblangan atom va molekulyar emissiya spektrlari bilan solishtirishga imkon berdi.

Astrokimyo tarixi

Radioastronomiya — 1930-yillarda ishlab chiqilgan boʻlsa-da, faqat 1937 yilgacha yulduzlararo molekulani aniq aniqlash uchun biron bir muhim dalillar paydo boʻldi — shu paytgacha yulduzlararo kosmosda mavjud boʻlgan yagona kimyoviy turlar atomlar edi^[6]. Ushbu topilmalar 1940 yilda, McKellar va boshqalar tomonidan tasdiqlangan. Yulduzlararo kosmosdagi CH va CN molekulalarida oʻsha paytdagi nomaʼlum radiokuzatishda tegishli spektroskopik chiziqlar aniqlangan^[7]. Oʻttiz yil oʻtgach, yulduzlararo kosmosda boshqa molekulalarning kichik tanlovi topildi: 1963 yilda OH va yulduzlararo kislorod manbai sifatida H₂CO (formaldegid) kashf etildi^[8]. 1969 yilda Birinchi marta yulduzlararo fazoda koʻp atomli organik molekula kuzatilgan^[9].

Yulduzlararo formaldegidning va keyinchalik suv yoki uglerod oksidi kabi potentsial biologik ahamiyatga ega boʻlgan boshqa molekulalarning kashf etilishi baʼzilar tomonidan hayotning abiogenetik nazariyalari uchun kuchli dalil sifatida koʻriladi. Bu toʻgʻridan-toʻgʻri biologik ahamiyatga ega boʻlgan yulduzlararo molekulalarni qidirishga turtki boʻldi. Masalan, astrokimyoviy tadqiqotlar bilan bir qatorda 2009 yilda quyosh sistemamizdagi kometada kashf etilgan glitsin^[10] yoki 2016-yilda kashf etilgan — Chirality(propilen oksidi) koʻproq asosiy yulduzlararo biologik ahamiyatga ega boʻlgan^[11].

Spektroskopiya — Astrokimyodagi ayniqsa muhim eksperimental vositalardan biri turli muhitlarda molekulalar va atomlardan yorugʻlikning yutilishi va emissiyasini oʻlchash uchun teleskoplardan foydalanishdir. Astronomik kuzatuvlarni laboratoriya oʻlchovlari bilan solishtirib, astrokimyogarlar yulduzlar va yulduzlararo bulutlarning elementar koʻpligi, kimyoviy tarkibi va harorati haqida xulosa chiqarishlari mumkin. Chunki ionlar, atomlar va molekulalar xarakterli spektrlarga ega: yaʼni yorugʻlikning maʼlum toʻlqin uzunliklarini (ranglarini) singdirish va chiqarish, koʻpincha odamning koʻziga koʻrinmaydi. Biroq, bu oʻlchovlar cheklovlarga ega. Har xil turdagi nurlanishlar (radio, infraqizil, koʻrinadigan, ultrabinafsha va boshqalar) molekulalarning kimyoviy xossalariga qarab, faqat maʼlum turdagi turlarni aniqlay oladi. Yulduzlararo formaldegid - yulduzlararo muhitda topilgan birinchi organik molekula edi.

Ehtimol, alohida kimyoviy turlarni aniqlashning eng kuchli usuli bu radioastronomiya boʻlib, u radikallar va ionlarni oʻz ichiga olgan yuzdan ortiq yulduzlararo turlarni, shuningdek, spirtlar, kislotalar, aldegidlar va ketonlar kabi organik (yaʼni uglerod asosidagi) birikmalarni aniqlash imkonini berdi. Eng koʻp tarqalgan yulduzlararo molekulalardan biri va radiotoʻlqinlar yordamida aniqlash oson boʻlgan molekulalardan biri (kuchli elektr dipol momenti tufayli) CO (uglerod oksidi) hisoblanadi. Aslida, CO shunchalik keng tarqalgan yulduzlararo molekula boʻlib, u molekulyar hududlarni xaritada koʻrsatish uchun ishlatiladi^[12]. Radio kuzatuvi, ehtimol, insoniyatni eng katta qiziqish uygʻotadigan narsa, yulduzlararo glitsin, eng oddiy aminokislota haqidagi daʼvodir, ammo jiddiy munozaralar bilan birga keladi. Ushbu aniqlashning munozarali boʻlishining sabablaridan biri shundaki, radio (va aylanma spektroskopiya kabi baʼzi boshqa usullar) katta dipol momentlarga ega oddiy turlarni aniqlash uchun yaxshi boʻlsa-da, ular murakkabroq molekulalarga, hatto aminokislotalarga oʻxshash kichik kislotalar nisbatan sezgir emas.

Bundan tashqari, bunday usullar dipolga ega boʻlmagan molekulalar uchun butunlay koʻrdir. Misol uchun, hozirgacha koinotda eng koʻp tarqalgan molekula H2 (vodorod gazi), lekin u dipol momentga ega emas. Shuning uchun u radioteleskoplarga koʻrinmaydi. Bundan tashqari, bunday usullar gaz bosqichida boʻlmagan turlarni aniqlay olmaydi. Zich molekulyar bulutlar juda sovuq boʻlgani uchun (10 dan 50 K [-263,1 dan −223,2 °C; −441,7 dan −369,7 °F] gacha), ulardagi koʻpchilik molekulalar (vodoroddan tashqari) muzlatilgan. Yaʼni qattiq holatda boʻladi. Buning oʻrniga, vodorod va boshqa molekulalar yorugʻlikning boshqa toʻlqin uzunliklari yordamida aniqlanadi. Vodorod ultrabinafsha nurda (UV) osongina aniqlanadi va uning yutilishi va yorugʻlik tarqalishi(vodorod chizig'i)dan koʻrinadigan diapazonlarda aniqlanadi. Bundan tashqari, koʻpgina organik birikmalar infraqizil (IQ) yorugʻlikni oʻzlashtiradi va chiqaradi, shuning uchun, masalan, Mars atmosferasida metanni aniqlash NASAning Gavayi orollaridagi Mauna Kea tepasidagi 3 metrli infraqizil teleskop qurilmasi yordamida amalga oshirildi. NASA tadqiqotchilari oʻzlarining kuzatishlari, tadqiqotlari va ilmiy operatsiyalari uchun SOFIA havodagi IR teleskopi va Spatzer kosmik teleskopidan foydalanadilar^[13][14]. Bu Mars atmosferasida metanning yaqinda aniqlanganligi bilan bogʻliq. Yangi Zelandiyadagi Kenterberi universiteti xodimi Kristofer Oze va uning hamkasblari 2012-yil iyun oyida Marsdagi vodorod va metan darajasining nisbatini o‘lchash, Marsda hayot bo‘lish ehtimolini aniqlashga yordam berishi mumkinligini maʼlum qilishdi^[15][16]. Olimlarning fikriga koʻra, „…past H₂/CH₄ nisbati (taxminan 40 dan kam) hayotning mavjud va faol ekanligini koʻrsatadi“^[15]. Yaqinda boshqa olimlar vodorod va metanni yerdan tashqari atmosferada aniqlash usullari haqida xabar berishdi^[17] .

Infraqizil astronomiya, shuningdek, yulduzlararo muhitda poliaromatik uglevodorodlar deb ataladigan, koʻpincha qisqartirilgan PAH yoki PAC deb ataladigan murakkab gaz-fazali uglerod birikmalarining toʻplami mavjudligini aniqladi. Asosan birlashgan uglerod halqalaridan tashkil topgan bu molekulalar (neytral yoki ionlashgan holatda) galaktikadagi eng keng tarqalgan uglerod birikmalari sinfi deb ataladi. Ular, shuningdek, meteoritlarda va kometalarda va asteroid changlarida (kosmik chang) eng keng tarqalgan uglerod molekulasi sinfidir. Bu birikmalar, shuningdek, meteoritlardagi aminokislotalar, nukleobazalar va boshqa ko‘plab birikmalar yer yuzida juda kam uchraydigan deyteriy va uglerod, azot va kislorod izotoplarini olib yuradi, bu ularning erdan tashqarida kelib chiqishidan dalolat beradi. PAH yulduz atrofidagi issiq muhitda (oʻlayotgan, uglerodga boy qizil gigant yulduzlar atrofida) hosil boʻladi deb taxmin qilinadi.

Infraqizil astronomiya yulduzlararo muhitdagi qattiq materiallar, jumladan silikatlar, kerogenga oʻxshash uglerodga boy qattiq moddalar va muzlar tarkibini baholash uchun ham ishlatilgan. Buning sababi shundaki, qattiq zarrachalar tomonidan tarqaladigan yoki yutiladigan yorugʻlikdan farqli oʻlaroq, IQ nurlanish mikroskopik yulduzlararo zarrachalar orqali oʻtishi mumkin. Ammo bu jarayonda donalarning tarkibiga xos boʻlgan maʼlum toʻlqin uzunliklarida yutilishlar mavjud boʻladi. Yuqoridagi kabi radioastronomiyada maʼlum cheklovlar mavjud. Masalan, N₂ ni IR yoki radioastronomiya bilan aniqlash qiyin.

Bunday IQ kuzatuvlari shuni aniqladiki, zich bulutlarda (bu yerda halokatli ultrabinafsha nurlanishini susaytiradigan zarrachalar etarli) yupqa muz qatlamlari mikroskopik zarrachalarni qoplab, past haroratli kimyoning paydo boʻlishiga imkon beradi. Vodorod koinotdagi eng keng tarqalgan molekula boʻlganligi sababli, bu muzlarning dastlabki kimyosi vodorod kimyosi bilan belgilanadi. Agar vodorod atomli boʻlsa, H atomlari mavjud boʻlgan O, C va N atomlari bilan reaksiyaga kirishib, H₂O, CH₄ va NH₃ kabi „kamaytirilgan“ turlarni hosil qiladi. Biroq, agar vodorod molekulyar boʻlsa va reaktiv boʻlmasa, shuning uchun bu ogʻirroq atomlarning reaksiyaga kirishishi yoki bir-biriga bogʻlangan holda qolishiga imkon beradi va CO, CO₂, CN va hokazolarni hosil qiladi. Bu aralash molekulyar muzlar ultrabinafsha nurlanish va kosmik nurlarga taʼsir qiladi, bu esa radiatsiyaviy kimyo kompleksi hosil boʻlishiga olib keladi. Oddiy yulduzlararo muzlarning fotokimyosi boʻyicha laboratoriya tajribalari aminokislotalar hosil qildi^[18]. Yulduzlararo va kometalar kimyosi oʻrtasidagi bogʻliqlik koʻrsatkichlari sifatida yulduzlararo va komera muzlari oʻrtasidagi oʻxshashlik (shuningdek, gaz fazali birikmalarini taqqoslash) ishlatilgan. Buni Stardust missiyasi tomonidan qaytarilgan kometa namunalaridan olingan organik moddalar tahlili natijalari maʼlum darajada tasdiqlaydi, ammo minerallar quyosh tumanligidagi yuqori haroratli kimyoning hayratlanarli hissasini ham koʻrsatdi.

Yulduzlararo va aylana molekulalarining shakllanishi va oʻzaro taʼsiri, masalan, yulduzlararo zarrachalardagi sintez yoʻllari uchun ahamiyatsiz boʻlmagan kvant-mexanik hodisalarni kiritish yoʻlida tadqiqotlar davom etmoqda^[20]. Ushbu tadqiqot bizning quyosh sistemamiz paydo boʻlganida molekulyar bulutda mavjud boʻlgan molekulalar toʻplamini tushunishimizga chuqur taʼsir koʻrsatishi mumkin. Bu kometalar va asteroidlarning boy uglerod kimyosiga hissa qoʻshgan. Shuning uchun meteoritlar va yulduzlararo chang zarralari paydo boʻlgan.

Yulduzlararo va sayyoralararo fazoning siyrakligi baʼzi gʻayrioddiy kimyoga olib keladi. Chunki simmetriya tomonidan taqiqlangan reaktsiyalar faqat eng uzoq vaqt oraligʻida sodir boʻlishi mumkin emas. Shu sababli, Yerda beqaror boʻlgan molekulalar va molekulyar ionlar kosmosda juda koʻp boʻlishi mumkin, masalan, H₃⁺ ioni.

Astrokimyo — yulduzlarda sodir boʻladigan yadro reaksiyalarini, shuningdek, yulduzlar ichki tuzilishini tavsiflashda astrofizika va yadro fizikasi bilan bir-biriga mos keladi. Agar yulduz asosan konvektiv konvertni hosil qilsa, yadroviy yonish mahsulotlarini yuzaga chiqarishi mumkin boʻlgan chuqurlash hodisalari sodir boʻlishi mumkin. Agar yulduz sezilarli darajada massa yoʻqotayotgan boʻlsa, chiqarib yuborilgan materialda aylanish va tebranish spektral oʻtishlarini radio va infraqizil teleskoplar yordamida kuzatish mumkin boʻlgan molekulalar boʻlishi mumkin. Buning qiziqarli misol sifatida silikat va suv-muzli tashqi konvertlarga ega boʻlgan uglerod yulduzlari toʻplamini olish mumkin. Molekulyar spektroskopiya bizga bu yulduzlarning kislorod ugleroddan koʻra koʻproq boʻlgan asl tarkibdan, geliy yonishi natijasida hosil boʻlgan uglerod chuqur konvektsiya orqali yuzaga chiqadigan uglerod yulduzi fazasiga oʻtishini koʻrishga imkon beradi va yulduzli shamolning molekulyar tarkibini keskin oʻzgartiradi^[21][22].

2011-yil oktabr oyida olimlar kosmik chang tarkibida yulduzlar tomonidan tabiiy va tez yaratilishi mumkin boʻlgan organik moddalar („aralash aromatik-alifatik tuzilishga ega boʻlgan amorf organik qattiq moddalar“) borligini xabar qilishdi^[23][24][25].

2012-yil 29-avgustda dunyoda birinchi boʻlib Kopengagen universiteti astronomlari uzoq yulduzlar tizimida oʻziga xos shakar molekulasi va glikolaldegidni aniqlaganliklarini xabar qilishdi. Molekula Yerdan 400 yorugʻlik yili uzoqlikda joylashgan protoyulduz ikkilik IRAS 16293-2422 atrofida topildi^[26][27]. Glikolaldegid ribonuklein kislotasi yoki RNKni hosil qilish uchun zarur boʻlib, u DNKga oʻxshash funktsiyaga ega. Ushbu topilma shuni koʻrsatadiki, murakkab organik molekulalar sayyoralar paydo boʻlishidan oldin yulduzlar tizimida paydo boʻlishi mumkin va oxir-oqibat yosh sayyoralarga ularning shakllanishining boshida yetib keladi^[28].

2012-yil sentyabr oyida NASA olimlari yulduzlararo muhit (ISM) sharoitlariga duchor boʻlgan polisiklik aromatik uglevodorodlar (PAHlar) gidrogenlash, kislorodlash va gidroksillanish orqali murakkabroq organiklar — „aminokislotalar va aminokislotalar sari yoʻlda bir qadam“ nukleotidlar, mos ravishda oqsillar va DNKning xom ashyolari"ga aylanadi^[29][30]. Bundan tashqari, ushbu oʻzgarishlar natijasida PAHlar oʻzlarining spektroskopik belgilarini yoʻqotadilar. Bu „yulduzlararo muz donalari, ayniqsa sovuq, zich bulutlarning tashqi hududlari yoki protoplanetar disklarning yuqori molekulyar qatlamlarida PAH aniqlanmasligi“ sabablaridan biri boʻlishi mumkin"^[29][30].

2014-yil fevral oyida NASA koinotdagi polisiklik aromatik uglevodorodlarni (PAH) kuzatish uchun takomillashtirilgan spektral maʼlumotlar bazasi yaratilishi haqida eʼlon qildi^[31]. Olimlarning fikriga koʻra, koinotdagi uglerodning 20% dan koʻprogʻi hayotning paydo boʻlishi uchun mumkin boʻlgan boshlangʻich moddalar boʻlgan PAHlar bilan bogʻliq boʻlishi mumkin. PAHlar Katta portlashdan koʻp oʻtmay shakllanganga oʻxshaydi, ular butun koinotda keng tarqalgan va yangi yulduzlar va ekzosayyoralar bilan bogʻliq^[32].

2014-yil 11-avgustda astronomlar birinchi marta Atakama katta millimetr/submillimetr massividan (ALMA) foydalangan holda HCN, HNC, H₂CO, kometalarining komalari ichidagi changning tarqalishini batafsil ko‘rsatgan S/2012 S1 (ISON) va C/2012 F6(Lemmon) tadqiqotlarni eʼlon qildilar^[33][34].

Kimyoviy elementlar va molekulalarning koinotdagi manbalarini o‘rganish uchun professor M. Y. Dolomatov tomonidan ehtimollar nazariyasi, matematik va fizik statistika va muvozanat usullaridan foydalangan holda termodinamik potensiallar bo‘yicha yulduzlararo muhitda molekulalar tarkibi taqsimlanishining matematik modeli ishlab chiqilgan^[35][36][37]. Ushbu model asosida yulduzlararo muhitdagi hayot bilan bogʻliq molekulalar, aminokislotalar va azotli asoslarning resurslari baholanadi. Neft uglevodorodlari molekulalarini hosil qilish imkoniyati koʻrsatilgan. Berilgan hisob-kitoblar Kosmosda neft uglevodorodlarining paydo boʻlishi mumkinligi haqidagi Sokolov va Xoyl farazlarini tasdiqlaydi. Natijalar astrofizik nazorat va kosmik tadqiqotlar maʼlumotlari bilan tasdiqlangan.

2015 yil iyul oyida olimlar Philae qoʻnuvchisi 67/P kometa yuzasiga birinchi marta qoʻnganida, COSAC va Ptolemey asboblari tomonidan oʻtkazilgan oʻlchovlar 16 ta organik birikmani aniqladi. Ulardan toʻrttasi kometada birinchi marta koʻrilgan. Shu jumladan atsetamid, atseton, metil izosiyanat va propionaldegidlardir^[38][39][40].

• Xalqaro Astronomiya Ittifoqining Astrokimyo boʻlimi
• Arizona universiteti astrokimyo guruhi
• Astrofizika va astrokimyo Astrochemistry.eu saytida
• NASA Ames tadqiqot markazidagi astrokimyo laboratoriyasi
• NASA Goddard kosmik parvozlar markazidagi Astrokimyo laboratoriyasi
• Leyden universiteti astrofizika laboratoriyasi
• Astrokimyogar (Astrokimyogarlar va qiziqqanlar uchun manbalar)