Тайна пропавшей серы: ученые приблизились к разгадке одной из старейших загадок межзвездной химии

Сера относится к числу наиболее распространенных химических элементов во Вселенной. Она образуется в недрах звезд и выбрасывается в межзвездное пространство после взрывов сверхновых и других процессов звездной эволюции. Согласно расчетам астрофизиков, ее количество в галактиках должно быть хорошо предсказуемым. Однако уже несколько десятилетий ученые сталкиваются с загадкой, которая получила название «проблема недостающей серы».

Наблюдения показывают, что в разреженных межзвездных облаках содержание серы соответствует теоретическим ожиданиям. Но в плотных холодных молекулярных облаках, где впоследствии рождаются новые звезды и планетные системы, большая часть этого элемента словно исчезает. В некоторых случаях астрономы обнаруживают лишь около одного процента от ожидаемого количества серы, тогда как остальные 99 процентов остаются скрытыми от наблюдений.

Поиск этой пропавшей серы является одной из важных задач современной астрохимии. От понимания ее судьбы зависит не только знание химической эволюции галактик, но и представления о формировании планет, комет и потенциально пригодных для жизни миров.

Новая работа исследователей из Института внеземной физики Общества Макса Планка и Центра астробиологии предлагает очередной шаг к решению этой космической головоломки. Ученые разработали усовершенствованную компьютерную модель, которая позволяет проследить химическую эволюцию серосодержащих соединений внутри межзвездных льдов.

Основой исследования стала программа pyRate, созданная для моделирования химических процессов в космической среде. Она рассчитывает, как различные молекулы взаимодействуют между собой, переходят между газообразным и твердым состоянием и образуют новые соединения под воздействием космического излучения.

Особенность новой работы заключается в том, что впервые удалось смоделировать сложную многокомпонентную систему межзвездного льда с использованием методов, максимально приближенных к лабораторным условиям. Это позволило напрямую сравнить результаты вычислений с реальными экспериментами и проверить существующие представления о химии холодного космоса.

Исследователи сосредоточились на лабораторном эксперименте, проведенном в 2024 году. В нем смесь диоксида углерода и сероуглерода охлаждали до температуры всего 10 кельвинов, что соответствует примерно минус 263 градусам Цельсия. Подобные экстремально низкие температуры характерны для плотных межзвездных облаков, скрытых от нагрева звездным излучением.

После охлаждения лед подвергался воздействию вакуумного ультрафиолетового излучения. Такие фотоны обладают достаточной энергией для разрушения химических связей внутри молекул. В результате возникал настоящий каскад химических реакций, приводивший к образованию новых соединений серы.

Среди продуктов реакции были обнаружены диоксид серы, карбонилсульфид, монооксид серы и другие молекулы. Однако значительная часть серы вновь оказалась «потерянной». Исследователи предположили, что она могла перейти в длинные цепочки атомов серы — так называемые аллотропы, которые трудно обнаружить существующими методами анализа.

Моделирование позволило выявить важную особенность химических процессов в межзвездных льдах. Долгое время считалось, что молекулы реагируют друг с другом главным образом благодаря тепловой диффузии, медленно перемещаясь по поверхности льда до столкновения с другими частицами.

Однако расчеты показали, что при температуре 10 кельвинов такого механизма недостаточно. Тепловой энергии практически нет, а значит движение молекул сильно ограничено. Если учитывать только традиционную диффузию, многие наблюдаемые реакции вообще не происходят.

Ключевую роль играет так называемая недиффузионная химия. Когда фотон разрушает молекулу, образовавшиеся атомы и радикалы способны мгновенно взаимодействовать с ближайшими соседями еще до того, как успеют переместиться по поверхности льда. Именно этот механизм оказался необходим для воспроизведения результатов лабораторных экспериментов.

Еще одним важным результатом стало уточнение способности ультрафиолетовых фотонов проникать внутрь межзвездного льда. Выяснилось, что излучение может воздействовать примерно на сто молекулярных слоев вещества. Для астрохимии это чрезвычайно важный параметр, поскольку он определяет глубину, на которой могут происходить химические преобразования внутри ледяных оболочек космических пылинок.

В ходе работы обнаружились и неожиданные расхождения между компьютерной моделью и экспериментальными данными. Например, симуляция предсказывала более высокие концентрации некоторых серосодержащих молекул, чем фиксировалось лабораторными приборами.

Последующий анализ показал, что проблема может заключаться не только в модели, но и в сложности интерпретации экспериментальных данных. Многие молекулы имеют схожие инфракрасные спектры и способны маскировать сигналы друг друга. В результате отдельные соединения могут оставаться незамеченными даже в тщательно проведенных экспериментах.

Эти выводы подчеркивают, насколько сложной является химия межзвездного пространства. В холодных облаках, где температура близка к абсолютному нулю, протекают процессы, которые существенно отличаются от привычной земной химии. Здесь важную роль играют квантовые эффекты, космическое излучение, структура ледяных покрытий и особенности поведения отдельных атомов на поверхности микроскопических пылинок.

Разгадка проблемы недостающей серы имеет значение далеко за пределами астрохимии. Сера входит в состав многих биологически важных молекул и играет ключевую роль в химии живых организмов. Понимание того, как этот элемент распределяется в космосе и в каких формах существует на ранних этапах формирования планетных систем, поможет лучше понять происхождение химических компонентов, необходимых для возникновения жизни.

Полученные результаты также могут оказаться полезными для будущих наблюдений с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба и других современных обсерваторий. Более точные модели позволят астрономам искать скрытые соединения серы в межзвездных облаках и протопланетных дисках, где формируются новые планеты.

Хотя окончательный ответ на вопрос о судьбе пропавшей серы пока не найден, новое исследование значительно сузило круг возможных объяснений. Постепенно ученые начинают понимать, какие химические процессы происходят внутри ледяных частиц космической пыли, и именно там, вероятно, скрывается большая часть серы, которая десятилетиями ускользала от наблюдений. Каждый новый шаг в этом направлении помогает не только решить давнюю астрохимическую загадку, но и глубже понять химическую историю нашей Галактики.