В КОСМОСЕ ПОБЕЖДАЕТ МЕНЕЕ СТАБИЛЬНАЯ МОЛЕКУЛА
Многие молекулы, обнаруженные в космосе, построены всего из четырёх элементов: водорода, углерода, азота и кислорода — строительных блоков органической и пребиотической химии. При правильном расположении они могут образовать пептидную связь –C(=O)–N(–H)–, которая соединяет аминокислоты в белки. По мнению авторов, её важнейшая субструктура — изоцианатная группа –N=C=O: та же цепочка N–C–O. Из более чем 350 молекул, обнаруженных в межзвёздном пространстве, её несли лишь пять, в том числе изоциановая кислота HNCO.
Два способа присоединить протон
Изоциановая кислота может присоединить лишний протон в двух местах. На атоме азота она превращается в H₂NCO⁺ — самую стабильную конфигурацию, уже обнаруженную в космосе. На атоме кислорода — в HNCOH⁺, изомер — те же атомы, другое расположение, — энергия которого выше на 18 килокалорий на моль — столько энергии несёт газ при температуре около 9000 кельвинов, что намного больше примерно 100 кельвинов в облаке.
Теория и лабораторные опыты намекали, что вторая форма не должна быть редкой. Недавние расчёты реакции между ионом H₃⁺ и HNCO, которая считается одним из основных путей образования этих ионов, показали, что она даёт HNCOH⁺ примерно в 80% случаев. В лабораторном эксперименте HNCOH⁺ оказалось вдвое больше, чем H₂NCO⁺. А однажды образовавшись, HNCOH⁺ почти не может превратиться в своего стабильного близнеца: на пути стоит высокий энергетический барьер. Однако в космосе её никто никогда не видел.
Облако, сотрясаемое столкновениями
Марта Рей-Монтехо (Marta Rey-Montejo) из испанского Центра астробиологии (Centro de Astrobiología) и её коллеги из Испании, Германии, Японии, США и Чили направили телескопы на G+0.693-0.027 — молекулярное облако вблизи центра Млечного Пути. Крупномасштабные ударные волны, вероятно, вызванные столкновением облаков, срывают вещество с ледяных мантий и ядер пылинок и высвобождают его в газ. Благодаря этому облако — одно из самых плодотворных мест для открытия новых молекул.
Они использовали сверхглубокий обзор облака, выполненный тремя радиотелескопами — 40-метровой антенной Йебес, 30-метровой антенной IRAM и антенной APEX, — который охватывает почти 150 ГГц частот в диапазоне от 31 до 275 ГГц.
Семь линий, одна молекула
Молекула, вращающаяся в космосе, излучает на лестнице точных радиочастот, каждая из которых проявляется как узкий пик — спектральная линия. В лаборатории были измерены только две нижние ступени HNCOH⁺, поэтому остальные команда экстраполировала. Восемь ступеней попали в диапазон обзора; семь удалось проанализировать, а восьмая оказалась под линией земной атмосферы.
Все они сошлись. Подгонка даёт лучевую концентрацию 9,9 × 10¹² молекул на квадратный сантиметр вдоль луча зрения, относительное содержание около 7,3 × 10⁻¹¹ по отношению к молекулярному водороду и температуру вращения молекулы около 24 кельвинов. Большинство этих линий никогда не измерялось ни в одной лаборатории; по ним команда получила первое значение того, насколько растягивается вращающаяся молекула, — в хорошем согласии с квантово-химическими расчётами.
Семь вращательных линий HNCOH⁺ в направлении G+0.693: наблюдаемый спектр (серый), подгонка для HNCOH⁺ (красная), все известные молекулы (синяя). Структура молекулы показана внизу справа. — Рисунок 1, Rey-Montejo et al. (2026), arXiv:2610.39654.
Менее стабильный близнец побеждает
По более новым данным команда также заново измерила стабильного близнеца, H₂NCO⁺: 2,6 × 10¹² на квадратный сантиметр. Значит, HNCOH⁺ в 3,8 раза больше.
Если бы две формы просто распределились в соответствии со своими энергиями, то при температуре облака около 70–140 кельвинов HNCOH⁺ была бы более чем на 20 порядков величины реже, чем H₂NCO⁺. Вместо этого её содержание отражает то, как она образуется: реакция, создающая эти ионы, благоприятствует менее стабильной форме. Авторы отмечают, что другие семейства изомеров в космосе демонстрируют ту же закономерность: высокоэнергетические формы встречаются так же часто, как их стабильные аналоги. Два иона различаются и тем, как быстро они вращаются: HNCOH⁺ выглядит теплее, чем H₂NCO⁺ (около 24 против 9 кельвинов, тогда как температура самого газа — около 70–140 кельвинов). Возможная причина, по предположению авторов: HNCOH⁺ менее полярна, поэтому она хуже отдаёт энергию вращения в виде радиоволн, а столкновения с газом поддерживают её более быстрое вращение.
Шесть молекул — и это не предел
HNCOH⁺ — шестая обнаруженная в космосе молекула, несущая изоцианатную группу. Авторы призывают провести специальное лабораторное исследование, чтобы составить карту её полного вращательного спектра. Их более общий урок касается того, как работает химия между звёздами: там самая стабильная конфигурация атомов не обязательно самая распространённая — значение имеет путь, которым молекула рождается.