Почему головы комет зеленые, а хвосты нет? Только что разрешилась загадка о цветах комет, и подтвердилась теория 90-летней давности, пытавшаяся объяснить это явление.
Время от времени пояс Койпера и облако Оорта бросают в нас галактические снежки изо льда, пыли и камня: остатки формирования Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад, которые мы называем кометами. В Солнечной системе известно около 3700 комет, хотя есть подозрения, что их может быть еще миллиарды. Типичное ядро кометы имеет ширину 10 километров, но его кома часто в 1000 раз больше.
Кометы претерпевают цветовую метаморфозу, когда движутся к Солнцу. По мере приближения к нашей звезде головы многих комет приобретают ярко-зеленый цвет, который становится ярче по мере приближения комет к Солнцу. Как ни странно, этот зеленый оттенок сохраняется только на голове кометы и исчезает, прежде чем он достигает одного или двух хвостов, тянущихся за кометой.
Яркие кометы могут устроить зрелищное шоу для тех, кому посчастливится их увидеть. Однако в прошлом кометы могли бы сделать для Земли больше. Одна из теорий происхождения жизни состоит в том, что когда-то кометы доставляли строительные блоки жизни прямо к нашему порогу. На поверхность нашей планеты были доставлены различные углеродосодержащие частицы, где они вступили в дальнейшие сложные химические реакции, которые могли привести к возникновению жизни.
Астрономы, ученые и химики были заинтригованы загадкой цвета кометы почти столетие. В 1930-х годах физик Герхард Герцберг предположил, что это явление было вызвано солнечным светом, разрушающим двухатомный углерод (также известный как углерод или C 2 ), химическое вещество, образованное взаимодействием между солнечным светом и органическим веществом на голове кометы. К сожалению, поскольку углерод не очень реакционноспособен и нестабилен, эту теорию было трудно проверить.
Понимание свойств углерода требует основ квантовой механики, которые можно использовать для моделирования поведения и реакций молекул в различных ситуациях. Однако в природе в поведение модели вкрадываются возмущения, т. е. отклонения от модели, и они могут быть настолько велики, что спектроскописты часто отказываются от анализа собранных данных и описывают наблюдаемые спектры молекул как «сильно возмущенные». Сам Герхард Герцберг, стоявший на пороге создания спектроскопии малых частиц и начавший исследования по объяснению того, почему хвосты комет никогда не бывают зелеными, обычно откладывал изучение возмущений в сторону, чтобы дождаться «лучших времен».
Работа Герцберга была продолжена в исследованиях Роберта У. Филда в Массачусетском технологическом институте (MIT), который интересовался «неправильным поведением» молекул, особенно монооксида углерода. Дальнейшая работа Филда по возмущениям состояния C молекулы C 2 привела исследователей к открытию того, что источник наблюдаемых возмущений в молекуле C 2существует новое явление, касающееся конфигурации электронов и валентных дырок. Оказалось, что, несмотря на простоту химического состава, бикарбонат имеет удивительно сложную электронную структуру с резкими аномалиями энергетических уровней. Признаки «спектроскопических возмущений» углерода гораздо более многочисленны и сложны, чем те, которые обнаруживаются в других простых двухатомных молекулах, описанных в учебниках, таких как CO, N 2 и O 2 .
Возмущение, вызванное этими неожиданными и удивительно стабильными конфигурациями валентных дырок, оказывает сильное влияние на фотодиссоциативные и предрасположенные свойства C2 , которые определяют, как долго молекулы C2 будут выживать на комете, прежде чем будут разрушены ультрафиолетовым излучением солнечного света. Таким образом, таинственно звучащие термины « возмущение », « предиссоциация » и « фотодиссоциация » являются тремя спектроскопическими тайнами, объясняющими тайну цветовой разницы между головой и хвостом ударившейся кометы.
Эти идеи стали ключом к решению почти 100-летней загадки о цветах комет, которую исследовал профессор Тимоти В. Шмидт из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии. Сочетание результатов исследований этих команд привело к тому, что ученые впервые в истории наблюдали детали химического взаимодействия, теоретизированного Герцбергом в 1930-х годах, что показало, что теория 90-летней давности была верна.
.Ключевой игрок в центре этой загадки, углерод, состоит из двух атомов углерода и очень реактивен. Его можно найти только в средах с чрезвычайно высокой энергией или низким содержанием кислорода, таких как звезды, кометы и межзвездная среда. Интересно, что углерод не появляется на кометах, пока они не приблизятся к Солнцу. Когда солнце начинает нагревать комету, органическое вещество в ледяном ядре испаряется и входит в кому. Затем солнечный свет расщепляет более крупные органические молекулы с образованием углеводов.
По мере того, как комета приближается к Солнцу, ультрафиолетовое излучение разрушает молекулы углерода, которые она недавно произвела, в процессе, называемом «фотоионизацией». Этот процесс разрушает углерод до того, как он сможет удалиться от ядра кометы, в результате чего зеленая кома осветляется и сжимается, а зеленый оттенок никогда не достигает хвоста кометы.
.Чтобы разгадать тайну цвета кометы, команде пришлось воссоздать внеземной химический процесс в контролируемой среде на Земле. Для этого использовались вакуумная камера и несколько лазеров. Однако сначала им нужно было создать молекулу, которая была бы слишком реакционноспособной, чтобы ее можно было хранить в бутылке. Это было сделано с помощью более крупной молекулы, известной как перхлорэтилен или C2Cl4 ., и взорвать его атомы хлора (Cl) с помощью мощного УФ-лазера. Вновь образовавшиеся углеродные частицы затем выталкивались газовым пучком в вакуумную камеру длиной около двух метров. Там на углерод были направлены еще два УФ-лазера: один, который заливал молекулы излучением, и другой, который делал детектируемыми образовавшиеся атомы углерода. Радиационное воздействие разорвало углерод, направив атомы углерода к детектору скорости. Из-за сложности эксперимента на первое измерение ушло девять месяцев, но ожидание и усилия того стоили. Это было первое наблюдение этой химической реакции в лаборатории на Земле.