В молекуле угарного газа всего два атома, поэтому вариантов движения у нее немного: углерод и кислород могут либо сближаться и удаляться, либо вращаться друг вокруг друга. Вот и весь небогатый репертуар.
Именно эта простота делает угарный газ любимцем радиоастрономов, объясняет специалист по химии межзвездной среды, астроном из Института астрономии РАН Дмитрий Вибе. Представьте себе холодное облако с температурой около 10 кельвинов. Единственный доступный источник энергии там — слабое тепло самого газа. Угарный газ расходует его на считаные энергетические уровни: каждому достается приличная доля, и каждый переход между ними вспыхивает на спектре яркой полосой. Одна линия, вторая, третья.
Теперь поместим в то же облако молекулу из пятнадцати атомов. Тепла больше не стало, но степеней свободы у такой конструкции куда больше: изгибы, скручивания, колебания отдельных фрагментов относительно друг друга. Тот же скромный энергетический бюджет приходится делить на все эти движения. Каждому переходу достаются крохи, поэтому спектральные линии выходят едва заметными. При этом самих линий оказывается огромное множество, и они, по выражению Вибе, буквально «набиты вплотную» одна к другой.
Вот почему у списка молекул, обнаруженных в космосе, есть практический предел. И этот потолок рассказывает скорее о возможностях наших телескопов, чем о реальном составе Вселенной. Если наблюдения упираются в молекулы определенного размера, это вовсе не значит, что более крупных там нет. Скорее всего, они присутствуют в межзвездном газе, просто мы не способны их различить.
И чем больше в молекуле атомов, тем больше возможно этих движений, тем больше потенциальных линий порождает эта молекула. Но энергия для возбуждения этих движений всегда одна и та же.
— Дмитрий Вибе, «Мыслить как ученый», 15:01
Слабый сигнал — лишь часть проблемы. Линии каждой молекулы выстраиваются в спектре своеобразной гребенкой, а в облаке витают десятки разных соединений. Гребень одного вещества накладывается на гребень другого, третьего, пятидесятого. Добавьте к этому изотопные модификации: если хотя бы один атом водорода заменяется тяжелым дейтерием, у такой молекулы появляется собственный гребень, слегка сдвинутый по частоте. На выходе получается сплошной частокол из линий, в котором астроному нужно уверенно сказать: вот эта деталь принадлежит одному веществу, а соседняя — другому. А затем еще и убедить в этом коллег.
Есть и другая сложность. Нельзя просто взглянуть на мешанину линий и заявить, что перед нами, скажем, метилформиат. Спектральный «паспорт» каждого кандидата должен быть заранее известен — его либо измеряют в земной лаборатории, либо рассчитывают теоретически. Астроном лишь сверяет готовый список с тем, что видит телескоп. Так что находят только то, что уже догадались целенаправленно искать.
Ученые находят обходные пути. Например, группа под руководством Габи Венцель в работе 2024 года для журнала Science смогла выявить 1-цианопирен в холодном облаке TMC-1 с помощью стометрового радиотелескопа Грин-Бэнк. Авторы не стали вылавливать слабые сигналы поодиночке. Они вырезали из спектра небольшие окрестности вокруг 150 самых ярких ожидаемых линий и сложили их вместе, получив единый усредненный пик. Этот суммарный сигнал проявился на уровне 14,3 сигма, уверенно поднявшись над шумом.
Не менее важен и правильный выбор цели. В обзоре 2025 года для издания Handbook of Astrochemistry Исаскун Хименес-Серра насчитала 81 сложную органическую молекулу, открытую с 2021 по 2025 год. Почти все они были найдены на одиночных радиотелескопах при наблюдении источников с низкой температурой возбуждения: спектры таких областей не так сильно перегружены линиями, как излучение компактных горячих зон.
Земному химику несравнимо проще: достаточно взять колбу с веществом и спокойно изучать его сколько потребуется. Астроному же за пределами Солнечной системы остается только наблюдать издалека. Поэтому, когда в данных удается разглядеть и отстоять молекулу из двадцати атомов, по словам Вибе, «мы дико радуемся». Все, что сложнее, скорее всего, тоже летает там же, но теряется в тесном радиочастотном шуме, где разглядеть отдельные детали нам пока не под силу.
