Космохи́мия ( греч. κόσμος , kósmos, «вселенная» и греч. χημεία , khemeía, «химия») или Хими́ческая космоло́гия — область химии , изучающая химический состав материи во Вселенной и процессы, которые привели к этому составу . Космохимия исследует преимущественно «холодные» процессы на уровне атомно-молекулярных взаимодействий веществ, в то время как «горячими» ядерными процессами в космосе — плазменным состоянием вещества, нуклеосинтезом (процессом образования химических элементов) внутри звёзд занимается астрофизика . Космохимия в первую очередь ставит задачи изучения химического состава объектов Солнечной системы , в частности метеоритов , первых тел, сконденсировавшихся из ранней солнечной туманности . Астрохимия (молекулярная астрофизика, раздел науки на стыке астрофизики и химии )— изучает химические реакции между атомами , молекулами и зернами пыли в межзвездной среде , включая фазы образования звезд и планет , а также взаимодействие атомов и молекул с космическим излучением .

История космохимии

Становление и развитие космохимии прежде всего связаны с трудами Виктора Гольдшмидта , Г. Юри , А. П. Виноградова . Норвежец Виктор Гольдшмидт в период 1924 — 1932 годы впервые сформулировал закономерности распределения элементов в метеоритном веществе и нашёл основные принципы распределения элементов в фазах метеоритов (силикатной, сульфидной, металлической). В 1938 году Виктор Гольдшмидт и его коллеги на основе анализа нескольких земных и метеоритных образцов составили список «космического изобилия» , положив начало космохимии.

Американский физик Гарольд Юри , которого называют «отцом космохимии» , в 1950-е — 1960-е годы провёл много исследований, которые привели к пониманию химического состава звёзд.

До второй половины XX века исследования химических процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путём масс- спектрометрии Солнца , звёзд, отчасти внешних слоёв атмосферы планет. Единственным прямым методом изучения космических тел был анализ химического и фазового состава метеоритов. Развитие космонавтики открыло перед космохимией новые возможности непосредственного исследование пород Луны в результате забора образцов грунта. Автоматические спускаемые аппараты сделали возможным изучение вещества и условий его существования в атмосфере и на поверхности других планет Солнечной системы и астероидов , в кометах (см. Список первых посадок на небесные тела ). Все первенства в этой области в середине XX века принадлежали СССР , а в конце XX и начале XXI вв. — США , ЕС и Японии .

В 1960 году американский физик, масс-спектрометрист Джон Рейнольдс путем анализа короткоживущих нуклидов в метеоритах определил, что элементы Солнечной системы образовались раньше, чем сама Солнечная система, что положило начало установлению временной шкалы процессов ранней Солнечной системы .

Советский геохимик , академик АН СССР ( 1953 ) и её вице-президент с 1967 г. Виноградов А. П. выполнял инструментальные определения химического состава планетных тел, по данным, полученным с помощью межпланетных космических станций, впервые установил наличие пород базальтового состава на поверхности Луны (« Луна-10 », 1966 год ) и впервые определил прямыми измерениями химический состав атмосферы Венеры (« Венера-4 », 1967 год ) . Под руководством академика Виноградова было выполнено исследование образцов лунного грунта , доставленных в 1970 году на территорию СССР с равнинной поверхности Моря Изобилия возвращаемым аппаратом советской автоматической межпланетной станции « Луна-16 », и образцов из материкового района Луны, доставленных станцией « Луна-20 » в 1972 году . Однако дальнейшую космическую гонку СССР проиграл. Захватив в начале XXI века лидерство в освоении Луны в целом, обратной стороны Луны в частности, Китай стал претендентом на выигрыш во второй лунной гонке .

Метеориты

Метеориты — один из важнейших инструментов космохимиков для изучения химической природы Солнечной системы. Многие метеориты происходят из материала, столь же древнего, как и сама Солнечная система, и, таким образом, предоставляют ученым информацию о ранней солнечной туманности . Углистые хондриты особенно примитивны, то есть они сохранили многие из своих химических свойств с момента своего образования 4,56 миллиарда лет назад и поэтому находятся в центре внимания космохимических исследований.

Самые примитивные метеориты также содержат небольшое количество материала (<0,1 %), который теперь признан досолнечным зерном , старшим, чем сама Солнечная система, и который произошёл непосредственно от остатков отдельных сверхновых , поставляющих пыль, из которой сформировалась Солнечная система. Эти зерна узнаваемы по их экзотическому химическому составу, чуждому Солнечной системе (например, графита , наноалмаза , карбида кремния ). Они также часто имеют соотношение изотопов, которое отличается от соотношения изотопов в остальной части Солнечной системы (в частности, на Солнце), что указывает на источники в ряде различных взрывов сверхновых. Метеориты также могут содержать зерна межзвездной пыли, которые собрались из негазообразных элементов в межзвездной среде, как один из видов космической пыли («звездная пыль»).

Открытия НАСА 2011 года , основанные на исследованиях метеоритов, найденных на Земле, позволяют предположить, что компоненты ДНК и РНК ( аденин , гуанин и родственные им органические вещества ), строительные блоки для жизни, могли бы быть сформированы в космическом пространстве .

Кометы

В 2009 году ученые НАСА впервые идентифицировали в материале, выброшенном из кометы 81P/Вильда в 2004 году и полученном зондом NASA Стардаст , один из фундаментальных химических строительных блоков жизни (аминокислоту глицин ) в комете .

В 2015 году ученые сообщили, что после первой в истории посадки европейского спускаемого аппарата Филы на поверхность кометы 67P/Чурюмова — Герасименко , измерения с помощью прибора, представляющего собой комбинированный газовый хроматограф и масс-спектрометр COSAC и прибора для измерения ^[en] в ключевых летучих компонентах ядра кометы Ptolemy, выявили 16 органических соединений, четыре из которых были впервые обнаружены на комете ( ацетамид , ацетон , метилизоцианат и пропиональдегид ). В создании аппарата и его оборудования приняли участие Австрия , Финляндия , Франция , Германия , Венгрия , Италия , Ирландия , Польша , Великобритания и Россия .

Межзвёздное пространство

В межзвёздном пространстве обнаруживаются в крайне малых концентрациях атомы и молекулы многих элементов , а также минералы ( кварц , силикаты , графит и другие), идёт синтез различных сложных органических соединений из первичных солнечных газов Н ₂ , CO , NH ₃ , O ₂ , N ₂ , S и других простых соединений в равновесных условиях при участии излучений .

В 2004 году американские ученые сообщили об обнаружении антрацена и пирена в ультрафиолетовом излучении туманности Красный Прямоугольник , находящейся на расстоянии 1000 световых лет от Земли (других подобных сложных молекул ранее в космосе не находили) .

В 2010 году в туманностях были обнаружены фуллерены (или « бакиболы »), возможно причастные к происхождению жизни на Земле .

В 2011 году ученые Гонконга сообщили, что космическая пыль содержит сложные органические вещества («аморфные органические твердые вещества со смешанной ароматической и алифатической структурой»), которые могут быть естественным образом и быстро созданы звездами .

В 2012 году астрономы Копенгагенского университета сообщили об обнаружении специфической молекулы сахара, гликолевого альдегида , в далекой звездной системе — вокруг протозвездной двойной системы IRAS 16293-2422 , на расстоянии 400 световых лет от Земли. Гликолевый альдегид необходим для образования РНК . Было сделано предположение, что сложные органические молекулы могут образовываться в звездных системах до образования планет и, в конечном итоге, прибывать на молодые планеты в начале их формирования .Ученые НАСА сообщили, что полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), помещённые в лабораторные условия, имитирующие межзвездную среду (температура минус 268 градусов по Цельсию, бомбардировка ультрафиолетовым излучением, подобным испускаемому звездами) трансформируются посредством гидрирования , оксигенации и гидроксилирования в более сложные органические соединения — «шаг на пути к аминокислотам и нуклеотидам » .

В 2013 году проект ALMA обнаружил в гигантском газовом облаке примерно в 25 000 световых лет от Земли возможных предшественников ключевого компонента ДНК — цианометанимин, который производит аденин , одно из четырёх азотистых оснований , входящих в состав нуклеиновых кислот . Другая молекула, называемая этанамин, как полагают, играет роль в формировании аланина , одной из двадцати аминокислот генетического кода . Раньше ученые думали, что такие процессы происходят в очень разреженном газе между звездами. Однако новые открытия предполагают, что образование этих молекул происходили не в газе, а на поверхности ледяных зерен в межзвездном пространстве .

Луна

Исследование Луны с помощью космических аппаратов началось в XX веке . Поверхности Луны 14 сентября 1959 года впервые достигла советская автоматическая межпланетная станция Луна-2 . Советский геохимик Виноградов А. П. впервые установил наличие пород базальтового состава на поверхности Луны (« Луна-10 », 1966 год ), в дальнейшем в 1970 году изучал лунные породы Моря Изобилия ( Луна-16 ), в 1972 году — образцов из материкового района Луны ( Луна-20 ).

Были определены преобладающие минералы на лунной поверхности, включая клинопироксен, ортопироксен, оливин , плагиоклаз , ильменит , агглютинаты и вулканические стекла . На Луне были обнаружены разнообразные полезные ископаемые — железо , алюминий , титан , было обнаружено наличие водного льда на лунной поверхности (возможность создания на его основе кислородно-водородного топлива).

В 2020 году китайский космический аппарат « Чанъэ-5 » доставил на Землю лунный грунт из области Луны с повышенным содержанием KREEP . После проведённых двухгодичных исследований Китайское национальное космическое агентство и Управление по атомной энергии Китая (CAEA) сообщили об открытии нового, шестого по счёту, минерала, обнаруженного людьми на Луне — он был назван -(Y) ( англ. changesite-(Y), «камень Чанъэ»). Китай стал третьей страной в мире, открывшей новый лунный минерал, отнесённый к разряду фосфатных.

Планы добычи гелия-3 на Луне

Гелий-3 — это редкий изотоп , стоимостью приблизительно 1200 долларов США за литр газа, необходимый в ядерной энергетике для запуска термоядерной реакции . Теоретически (для сравнения можно оценить трудности и проблемы проекта Международный экспериментальный термоядерный реактор ), при гипотетической реакции термоядерного синтеза, при которой в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия , высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти, что хватило бы населению нашей планеты на пять тысячелетий . Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце, и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратно, его концентрация на Земле и в её атмосфере чрезвычайно низка. Содержание гелия-3 в лунном реголите намного больше, чем на Земле ~1 г на 100 т., для добычи тонны этого изотопа следует переработать на месте не менее 100 млн тонн грунта. Содержание гелия-3 в лунном реголите в 2007 году оценивалось НАСА приблизительно от 0,5 млн тонн до 2,5 млн тонн .

Китайская миссия Чанъэ-1 в 2009 году поставила задачу оценки глубинного распределения элементов с помощью микроволнового излучения для уточнения распределения гелия-3 и оценки величины его содержания.

В 2022 году Китайское национальное космическое агентство и Управление по атомной энергии Китая (CAEA) по данным исследований лунного грунта, доставленного космическим аппаратом Чанъэ-5 , сообщили, что по расчетам китайских ученых, на поверхности Луны содержится до 1,1 миллиона тонн гелия-3 .

В ходе первой лунной гонки 1960-х годов две космические сверхдержавы — США и СССР — имели планы сооружения лунных баз, которые не были реализованы. Советская лунная программа была свёрнута. В начале XXI века открытие на полюсах Луны залежей льда стимулировало начало второй лунной гонки между США ( программа «Артемида» ), КНР ( Лунная программа Китая ), Россией ( Российская лунная программа ), Евросоюзом ( программа «Аврора» ), Японией и Индией. Все эти программы предусматривают создание на Луне баз.

Главный научный сотрудник Лунной программы Китая геолог, химик-космолог Оуян Цзыюань , с 2008 года был инициатором разработки лунных запасов ( титана и других ценных металлов, и гелия-3 , как топлива для термоядерной энергетики будущего).

Марс

Согласно анализу коллекции марсианских метеоритов, поверхность Марса состоит главным образом из базальта .

С 2003 года осуществлялась программа «Марс-экспресс» Европейского космического агентства , предназначенная для изучения Марса . По результатам наблюдений с Земли и данным космического аппарата « Марс-экспресс » в атмосфере Марса обнаружен метан .

С 2011 года осуществляется миссия НАСА Марсианская научная лаборатория .

В 2014 году , марсоход НАСА « Кьюриосити » зафиксировал всплеск содержания метана в атмосфере Марса и обнаружил органические молекулы в образцах, извлечённых в ходе бурения скалы Камберленд .

В 2017 году был найден бор в почве в кратере Гейла с помощью прибора ^[en] путем лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии , что является аргументом в поддержку обитаемости Марса в прошлом .

В 2020 году на Марс были отправлены экспедиции Марс-2020 ( НАСА ), Аль-Амаль (Космическое агентство ОАЭ) и Тяньвэнь-1 ( Китайское национальное космическое управление ). Все три экспедиции достигли Марса в феврале 2021 года.

Экзопланеты

Первые экзопланеты были обнаружены в конце 1980-х годов , однако химический состав их атмосфер и другие свойства до сих пор изучены слабо по причине невозможности непосредственного наблюдения экзопланет. Исследования проводятся путём спектрального анализа , в момент транзита перед своей звездой.

Была составлена Классификация экзопланет по Сударскому и выделены пять классов.

В 2000 году не было известно ни одной планеты класса I ( аммиачные облака) кроме Юпитера и Сатурна, позднее были обнаружены планеты 47 Большой Медведицы c , Мю Жертвенника e , HD 154345 b и многие другие.

Одной из самых изученных экзопланет является HD 209458 b или Осирис , планета IV класса по Сударскому, так называемый « горячий юпитер » с водородной атмосферой , обнаруженной телескопом Хаббл в 2001 году.

См. также

• Межзвёздные молекулы

Литература

• Harry Y. McSween Jr Jr and Gary R. Huss. . — 2010. — ISBN 9780521878623 .
• А. П. Виноградов (ред.), Космохимия Луны и планет. — М.: Наука, 1975. — 764 с.

Примечания