اولین مولکول در جهان

اولین “اتم” در جهان بودند اتم در همه آنها فقط هسته که پیدا کرده بود و الکترون است. ساده ترین هسته که مشترک هیدروژن است که یک لخت پروتون با هیچ زواید است. هنگامی که جهان ضرب دیده به وجود انرژی شایع است. همه چیز فوق العاده به هر چیز دیگری. پروتون و نوترون اغلب برخورد و برخی از تشکیل هسته بزرگتر مانند است که از deuterium (شامل یک پروتون و یک نوترون) و همچنین به عنوان هسته هلیوم با دو پروتون و دو نوترون. مختلف دیگر ترتیبات از پروتون و نوترون تشکیل شده اما به دلیل هویت یک اتم است که تعیین آن با تعداد پروتون ها تمام این دیگر conglomerations اساسا فقط نسخه های مختلف از هیدروژن هلیم و اثری از لیتیوم.

از این سه هلیوم برای اولین بار شروع به تشکیل “واقعی” اتم. یک اتم است که بیش از یک هسته آن نیز باید دارای الکترون. هسته هلیوم برای اولین بار به جمع آوری کامل کیف پول از الکترون یکهو. چرا هیدروژن یا لیتیومی? خوب هلیوم اولین “گاز نجیب” در جدول تناوبی—اولین اتم با الکترون ها به طور کامل پر کردن شکاف موجود در آن الکترون پوسته. اگر الکترون ارز از شیمی هلیوم استاد دزد از جدول تناوبی. در یک آزمایشگاهی مدرن طول می کشد تا انرژی بیشتری برای سرقت یک الکترون از هلیوم بیش از هر عنصر دیگر. و انرژی مورد نیاز برای حذف یک دوم الکترون است که بیش از دو برابر آنچه در آن طول می کشد برای اولین بار. در اوایل جهان پس از هسته هلیوم شروع به پیدا کردن الکترون های آنها پر از خزانه خود الکترون ابرها قبل از هیدروژن هسته می تواند شروع به گرفتن و قبل از اینکه به اندازه کافی لیتیوم هسته بودند حتی حاضر به جمع آوری تمام سه مورد نظر خود را الکترون.

Hydrogen (1 proton, 1 electron); deuterium (1 proton, 1 neutron, 1 electron); helium (2 protons, 2 neutrons, 2 electrons) and lithium (3 protons, 4 neutrons, 3 electrons)
اعتبار: النا هارتلی

بقیه ماده در جهان در آن زمان بود و هنوز هم تا حد زیادی متشکل از تنها پروتون که شروع به احساس اثر بودن بیبهره از یک الکترون. آنها شروع به کاهش و به دنبال مخالف متهم شرکای آنها را به الکتریکی خنثی است. اما ابتلا به الکترون آزاد را برای خود دشوار بود بنابراین پروتون تبدیل به هلیوم است که در حال حاضر برخی از. اگر چه هلیوم است که میلی برای به اشتراک گذاشتن آن را نگه داشته در حال اجرا را مداوم هیدروژن هسته تمام وقت. از این پس برخوردی فشار در نهایت چند اتم هلیوم برای به اشتراک گذاشتن الکترون با پروتون. بنابراین نخستین پیوندهای شیمیایی تشکیل شد. این ترکیب جدید از هلیوم و هیدروژن بود به نام هلیوم hydride یا helonium (هه+) اولین مولکول (از هر گونه پایدار فراوانی) در جهان است.

Orbital model and stick-and-ball model of helium hydride, or helonium (HeH+)
اعتبار: النا هارتلی

که هلیوم اولین عنصر برای پیوند تعجب آور است چرا که ما در عصر فعلی ما فکر می کنم از هلیوم به عنوان به احتمال زیاد حداقل عنصر به ارتباط با دیگران—راضی گاز نجیب با فقط تعداد الکترون. اما در جهان اولیه, هلیوم بود و تنها بازی در شهر—تنها بانک با الکترون به من قرض بدهید.

این داستان بود در جامد نظری زمین برای چند دهه, اما آن را به مدت طولانی فاقد مشاهدهای گزینش. هه+ نمی تواند شکل بر روی زمین به جز در آزمایشگاه و برای چندین دهه آن را غیر قابل تشخیص در فضا است. سال گذشته اما ستاره شناسان اعلام کرد که آنها تا به حال مشاهده این مولکول برای اولین بار کمین در مراسم تشییع جنازه pyre از یک ستاره در حال مرگ. 40 سال جستجو پرداخت کرده بود و جدید و حیاتی قطعه اضافه شد به تصویر ما چگونه جهان اولیه شکل گرفت.

هه+ در حال حاضر می پیوندد صفوف فرازمینی مولکول; تا کنون دانشمندان از شناسایی بیش از 200 مولکولی گونه ها در فضا است. این مطالعه شیمی فراتر از زمین—astrochemistry ما به عنوان پزشکان خواهم به آن تماس بگیرید—با هدف روشن چه مولکول در حال حاضر در فضا چگونه آنها را تشکیل می دهند و آنچه را تکامل به معنی به صورت مشاهدهای و نظری فیزیک نجومی. بسیاری از شناخته شده astromolecules از جمله آب فرمالدئید و آمونیاک مشترک هستند در اینجا بر روی زمین است. دیگران زمینی عجیب و غریب مانند اسید هیدروکلریک با اضافی پروتون و پراکسید هیدروژن با یک اتم هیدروژن قطع شد. شارژ مولکول های سیستم با الکترون جفت نشده و عجیب و غریب ترتیبات اتم در غیر این صورت مشترک مولکول نیز مشاهده شده است. ما حتی دیده می شود مولکول های حاوی به اصطلاح بی اثر گازهای نجیب مانند ArH+ (یک دسته کوچک موسیقی جاز از آرگون و هیدروژن) و به تازگی مستند هه+.

Stick-and-ball models of water, hydrochloric acid plus H, ammonia, hydrogen peroxide with a missing H, formaldehyde and argon hydride (or argonium)
اعتبار: النا هارتلی

اکثر رشته های شیمی متمرکز در ساخت جهان امن تر و لذت بخش تر برای انسان است. Astrochemistry اما به نظر می رسد اساسی ترین خواص مولکول ها. این کمک می کند تا به تعریف آنچه در پیوند است که واقعا چقدر مولکول می تواند دست نخورده باقی می ماند و به همین دلیل برخی از گونه های شیمیایی شایع تر از دیگران است. با تحصیل در رشته شیمی در محیط های بسیار بیگانه در مقایسه با زمین با درجه حرارت فشارها و مواد اولیه موجود کاملا متفاوت از آنچه ما استفاده می شود به ما می توانید پیدا کردن مولکول است که چالش ما معمول مفاهیم چگونه اتم ها در تعامل است و ما را به عمیق تر شیمیایی درک. در نهایت ما امیدواریم که به یاد بگیرند که چگونه شیمی رهبری به مواد تشکیل دهنده که به پایان رسید تا در سیارات در منظومه شمسی ما و در نهایت فعال زندگی است.

که در آن بود هه+?

در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و آزمایشگاه در سال 1925 T. R. Hogness (که بعدها مشغول به کار در پروژه منهتن) و آموزش هموطنان E. G. Lunn یافت که مخلوط هلیوم و گاز هیدروژن در حضور یک قوس الکتریکی در داخل یک محفظه خلاء می تواند ایجاد یون های مختلف با توده های مختلف. اندازه گیری جرم-به-اتهام نسبت مولکول است forte شیمیایی نظم و انضباط به نام اسپکترومتری جرمی; اوایل اجرای این شرکت مشترک روش شیمیایی نشان داد که این مخلوط تولید گذرا توده-به-اتهام نسبت 5. که تنها می تواند هه+. اما نگهداری از این مولکول گاز نجیب در اطراف به اندازه کافی بلند به آن را مطالعه ثابت فوق العاده دشوار است و حتی در Hogness و Lunn کنترل آزمایشگاه.

در جهان اولیه آن می شده اند و حتی بیشتر ناپایدار به دلیل هه+ است به احتمال زیاد به اجازه رفتن از آن پروتون در حتی کوچکترین تماس با اتم دیگری. در این رابطه هلیوم می دهد دو الکترون در حالی که هیدروژن به هیچ کدام. چنین ناهموار پیوند (به نام انتصابی پیوند) است ضعیف تر از سنتی پیوندهای کوالانسی در آن هر دو اتم کمک بیشتر به طور مساوی.

در سال 1978 John H. پس از آن در دانشگاه مینه سوتا بود برای اولین بار به استدلال می کنند که هه+ هنوز هم می تواند در حال حاضر در فضا است. سیاه و سفید پیشنهاد کرد که یک جای خوب برای نگاه بود سحابی سیاره ای با اغراق کردن و انرژی بسیار مهم در ایجاد یک ستاره مرگ تلاطم. در این ابرها یک لایه نازک از یونیزه شدن اتم هلیوم است که به طور معمول در بر داشت در حضور خنثی اتم هیدروژن; هلیوم قوی نیاز برای الکترون می تواند درایو آن را به قرض گرفتن یکی از هیدروژن ایجاد یک پیوند. در نتیجه از اواخر دهه 1970 ستاره شناسان و شیمیدان همکاران شده اند به دنبال هه+ در هزاران مکان هایی از لبه جهان به ستاره پرجرم درون آن باشد. در عین حال برای چندین دهه این جستجوها هیچ چیز یافت می شود, که منجر به شک در اعتبار هه+‘s نقش در شروع شیمی. آیا هلیوم واقعا پیوند با H+? به نظر می رسید مانند آن باید وجود دارد هیچ چیز دیگری برای پیوند با آن. اما اگر که در مورد که در آن بود هه+?

مولکولی اثر انگشت

در حالی که astrochemists به دنبال هه+ و آینده خالی محققان دریافتند بسیاری از مولکول های دیگر آنها انتظار نیست. آنها حتی نمی تواند در شناسایی برخی از آنها.

آن آغاز شد و در سال 1919 هنگامی که مری لی Heger با استفاده از رصدخانه لیک در بالای کوه همیلتون در شهرستان سانتا کلارا, کالیفرنیا, برای مشاهده این رفتار از یک جفت دودویی در مدار ستاره های دوقلو سیستم شبیه به خورشید Tatooine. آنچه او را دیدم تعجب آور است.

هر مولکول خود را آرایش اتم ها و الکترون ها و در نتیجه جذب نور در یک راه منحصر به فرد. این “جذب امکانات” به هر مولکول خود مجموعه ای از اثر انگشت دیده می شود هنگامی که ستاره شناسان جداگانه نور ورودی به تشکیل دهنده آن طول موج—یک فرآیند به نام طیف سنجی. به عنوان Heger را دودویی ستاره orbited مرکزی خود را نقطه ثقل طیفی امکانات در هر ستاره جو نیز منتقل شده در طول موج (اثر دوپلر).

اما Heger همچنین برخی از طیفی اثر انگشت که ایستاده بودند هنوز هم به عنوان ستاره در اطراف نقل مکان کرد. او سپس نگاه دیگری دودویی سیستم ستاره و دیدم همان الگوی. پیگیری کار نشان داد که این nonmoving ویژگی ها همچنین نشان داد تا زمانی که تلسکوپ بودند با هدف به سمت تک ستاره. این چاپی باید شده اند که از مولکول های اطراف ستاره اما در قریب به اتفاق مناطق سرد بین آنها است. احمقانه ترین قسمت این بود که در واقع همان اثر انگشت حضور داشتند برای همه مشاهده ستاره ها و حتی برای کهکشان های دیگر. امضا لقب منتشر interstellar باند (طاس تخته نرد) بودند و در همه جا. دانشمندان scoured مستند طیفی از ویژگی های مولکول در زمین تازه سنتز شده آنهایی که از آزمایشگاه و مشاهده در فضا از طریق رادیو تلسکوپی انگشت نگاری. هیچ چیز همسان DIBs—آنها چیزی در رمان است.

اواخر دانشگاه هاروارد و پروفسور ویلیام Klemperer یکی از مهمترین پیشگامان astrochemistry یک بار پیشنهاد کرد که دیب امضا ممکن است متعلق به trisulfur آنیون S3. زمانی که این ثابت نادرست او بود بنابراین لازم است که او نوشت: “هیچ راه بهتری برای از دست دادن اعتبار علمی نسبت به حدس و گمان در حامل[s] از منتشر [interstellar] bands.” فرضیه به عنوان منشأ از DIBs گردش از طریق این دهه اما هیچ یک گیر—آن شناخته شده به عنوان طولانی ترین ایستاده مشکل در طیف سنجی.

Stick-and-ball model of trisulfur anion (S3-)
اعتبار: النا هارتلی

یکی از جذاب ترین فرضیه پیشنهاد های آروماتيک چند حلقه ای (PAHs) به عنوان یک دیب مشکوک. PAHs—شش ضلعی از اتم های کربن گذاشته ورق—عمده و جزء از دوده آسفالت و گرافیت. آنها بعید است به واکنش با مولکول های دیگر اما آیا تمایل به چسبیدن به آنها را. برای astrochemists مشکل با PAHs است که بسیاری از گونه های بسیار مشابه به یکدیگر است که خود را spectroscopic اثر انگشت و یا طیف هم اجرا می شود. مانند این است که تلاش به نقطه فردی brushstrokes وینسنت ون گوگ شب پرستاره به جای دیدن کامل نقاشی—بسیاری از قطعات گیرند با تمام. اما طاس تخته نرد به نظر می رسید به رفتار در یک مد مشابه. می تواند PAHs توضیح DIBs?

Stick-and-ball model of a polycyclic aromatic hydrocarbon sheet
اعتبار: النا هارتلی

چنین ایده هایی را اطراف در astrochemistry محافل از آنجا که 1970s اما یک آزمایش برای همیشه لطفا برای تغییر چگونه ما فکر می کنم در مورد کربن. هری Kroto که در سال 2016 شد در دانشگاه ساسکس در انگلستان در سال 1980 و مشغول به کار در یک تیم برای تشخیص مولکول های جدید در فضا است. او شنیده ام در مورد یک آزمایش توسط Robert F. حلقه و Richard E. اسمالی هر دو داروخانه ها در دانشگاه رایس در آن زمان است که در آن آنها تا به حال ablated آلومینیوم سطح و در همه انواع جدید آلومینیوم مولکولی خوشه. زمانی که آنها جایگزین گرافیت (به اصطلاح grand-PAH) برای آلومینیوم ترین, عجیب و غریب, مولکول به نظر می رسد: C60, 60 اتم کربن مرتب مانند یک توپ فوتبال است. در سال 1996 Kroto حلقه و اسمالی اهدا شد جایزه نوبل در شیمی را برای نقش خود را در کشف این مولکول به نام buckminsterfullerene یا فقط فولرین (همچنین به عنوان شناخته شده buckyball). Kroto متقاعد شده بود که buckyballs شد و در حال حاضر در فضا بودند و به احتمال زیاد منبع برخی از دیب اثر انگشت. تنها تعداد کمی از مردم به او ايمان آورد, اگر چه, و او و همکارانش در نقل مکان کرد. در عین حال در سال 2010 یک چهارم از یک قرن پس از اولیه خود را کشف در آزمایشگاه C60 و پسر عموی خود C70 مشاهده شد مادون قرمز در سحابی سیاره ای Tc1 در صورت فلکی ماکیان. آیا این مولکول بودند در واقع مربوط به مرئی طول موج طاس تخته نرد بود و هنوز بلاتکلیف است. کار نظری پیشنهاد شده اما دانشمندان فاقد تایید داده های تجربی.

Stick-and-ball models of C60 and C70 buckyballs
اعتبار: النا هارتلی

در سال 2015 کاتیون شکل فولرین C60+شد و در نهایت به دام افتاده در آزمایشگاه و دانشمندان قادر به اندازه گیری قطعی خود نزدیک به طیف مادون قرمز است. سپس دو خط از این مولکول همسان شناخته شده دیب طول موج. بعد از آن محققان نشان داد که این اثر انگشت همسان چهار یا پنج بازی نرد. سپس در سال 2019 یک تیم بین المللی به رهبری مارتین A. Cordiner از پرواز فضایی گودارد ناسا در مرکز با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل به بررسی دیب طول موج دیده می شود در جهت از 11 عمدتا قرمز (همسر بزرگتر) ستاره و متوجه شد که آنها همسان داده های تجربی برای C60+تایید در گذشته که این مولکول اثر انگشت مسئول برخی از بازی نرد.

این کشف نشان می دهد که حداقل یک نوع مولکول قطعی برگ آن اثر انگشت در سراسر فضای بین ستاره ای. Buckyballs اعتقاد به تکامل از PAHs و حضور خود را در فضا نشان میدهد که مولکول پدر و مادر نیز باید در خارج وجود دارد. در عین حال آن را تا سال 2018 است که محققان مشاهده اثر انگشت از یک PAH-خانواده مولکول در فضا است. ترکیب آنها را دیدم benzonitrile (C6H5-CN), نادر هیدروکربن آروماتیک است که به راحتی تشخیص داده و نسبت به بستگان خود. و حتی اخیرا دانشمندان مشاهده شده دو حلقه cyanonaphthalene مولکول آشکار است که بزرگتر PAHs در حال حاضر به عنوان به خوبی.

Stick-and-ball model of benzonitrile (C6H5-CN)
اعتبار: النا هارتلی

کشف

با وجود این پیشرفت برای یک مدت زمان طولانی هه+ باقی مانده است دشوار است.

اولین مولکول ها را از بین می رود نسبتا به سرعت پس از اولین دوره. به عنوان جهان بالغ گسترش و سرد مانده هیدروژن هسته شروع به جمع آوری الکترون های خود را. که در آن نقطه در حال حاضر این خنثی اتم هیدروژن احتمالا احساس مثبت در هه+ مولکول. هنگامی که اتم ها و مولکول ها برخورد نسبتا ضعیف او-H انتصابی باند را شکست و بسیار قوی کووالانسی بین دو hydrogens تشکیل شده برای ایجاد ثانیه2+. پس از آن اتم هلیوم بودند تا حد زیادی به سمت چپ به تنهایی.

Stick-and-ball and orbital models of helium hydride, or helonium (HeH+), and H2+
اعتبار: النا هارتلی

آن را ممکن است به نظر می رسد که در این مختصر وجود HeH+ بی اهمیت بود اما این است که به دور از این مورد است. مدل های بالقوه واکنش های شیمیایی در این دوره نشان می دهد که بدون هه+ تشکیل H2+و سپس خنثی ثانیه2را گرد هم آمده اند بسیار آهسته تر. پس از ثانیه2 ساخته شده بود هر چند کل درخت شیمی آشکار شد. بعد آمد ثانیه3+که begot CH+که begot CH2+ و یک آبشار از مولکول های دیگر. در نهایت این زنجیره منجر به آب و اتانول و بزرگتر گونه است. این فرآیند تمام محصول نامتعادل پیوند در هه+; بدون این رابطه اولیه جهان خواهد بود یک محل متفاوت است.

Stick-and-ball and orbital models of H2, H3+, and CH+; and stick-and-ball models of CH2+, H2O and C2H5OH
اعتبار: النا هارتلی

هنوز در سال 2013 astrochemists بودند نا امید شدن که هه+ بود هیچ جا یافت می شود. اما در آن سال یک نشانه امیدوار آمد که محققان کشف کردند که مربوط به مولکول گاز نجیب ArH+ در Crab Nebula supernova remnant. دانشمندان متمرکز جستجو برای هه+ در مشابه superenergized محیط. مشکل بزرگتر هر چند که این طیف از هه+ کاهش یافت و در همان منطقه به عنوان اثر انگشت از اولین مولکول تا کنون مشاهده شده در فضای CH رادیکال. هیچ تلسکوپ تا به حال قدرت برای جدا کردن این امضا.

سپس همراه آمد استراتوسفر Observatory for Infrared Astronomy (صوفیه) یک repurposed 747 جت ادم تنومند و بدقواره با یک برش سوراخ در سمت خود تا مادون قرمز تلسکوپ می توانید نگاه کردن. در مارس 2016 یک تیم بین المللی با استفاده از صوفیه, یک پروژه مشترک ناسا و آلمان هوافضا و مرکز به مدت سه شب از مشاهدات. صوفیه دامنه دارای وضوح لازم به تشخیص هه+‘s منحصر به فرد چرخشی-فرکانس اثر انگشت در 2,010 دفاع کند گرفته شد.184 گیگاهرتز. وجود دارد در انبار کاه مادون قرمز دور داده ها در دیگر سوخته خاکستر از یک انفجار ستاره ای در سحابی سیاره ای NGC 7027 بخشی از صورت فلکی ماکیان قرار بود این اثر انگشت است که تا به حال از دست رفته است. این مکان جهنمی با آن درجه حرارت بالا و انرژی بود نه بر خلاف جهان اولیه. در مارس 17, 2019, یک تیم به رهبری توسط رولف Güsten از موسسه ماکس پلانک برای رادیو نجوم در شهر بن آلمان منتشر شده یک گزارش در طبیعت نوید کشف هه+.

Graphic shows light from helium hydride in Nebula NGC 7027 entering the SOFIA telescope, alongside a chart of the molecule’s unique spectral signature
اعتبار: النا هارتلی (مولکول) و آماندا Montañez (شماتیک); منابع: Hubble, NASA, ESA, پردازش توسط Jusy اشمیت (سحابی); “اختر فیزیک تشخیص هلیوم Hydride یون هه+” توسط رولف Gusten et al., در طبیعت, Vol. 568; آوریل 2019 (طیف)

این رویت نیست از کهن هه+. ما بر این باورند که مولکول های Güsten و همکارانش مشاهده شده ایجاد شد بسیار بیشتر شده است. با این وجود پیدا کردن کمک می کند تا برای محدود دانش ما از این ترکیب. دانشمندان در حال حاضر می تواند در طراحی بهتر مدل از جهان آن را به عنوان وجود زمانی که هه+ تنها مولکول در شهر است. این کشف همچنین ممکن است به ما سرنخ در مورد که در آن دیگری این مواد شیمیایی ممکن است کمین در فضای امروز هدایت ما به سمت دیگر سیاره ای سحابی و یا حتی مناطق دیگر از فضا که خیلی دور هستند آنها مربوط به اوایل دوره از زمان رفتن به عقب به لبه جهان است.

سوالات سخت تر

این زمان هیجان انگیز در astrochemistry. سه grand سوال شده قطعی پاسخ در جانشینی سریع. دانشمندان مشاهده کرده اند که اولین مولکول به شکل در جهان هستی شناسایی شده و برای اولین بار اثر انگشت متعلق به مرموز بازی نرد و آنها در نهایت elucidating PAHs از سیاهی فضا.

علاوه بر این آزمایشگاه شبیه سازی interstellar شرایط نشان میدهد که چگونه اسیدهای آمینه و nucleobases ممکن است تشکیل داده اند. فضایی تلسکوپ مانند صوفیه و هابل و همچنین آینده James Webb Space Telescope, وعده به ارائه بی سابقه خصوصیات طیفی از ستارگان که در آن اشیاء جدید کمتر شایع مولکولی اثر انگشت ممکن است دیده شود.

در حال حاضر که ما در حال پیدا کردن پاسخ به این مشکلات شناخته شده دیگر quandaries ظاهر شوند. در نهایت astrochemists امید برای مقابله با سخت تر از سوالات مانند “چه بقیه DIBs?,” “چه هستند مولکولی ریشه های زندگی است ؟” و “چه ترکیب شیمیایی لازم برای شکل گیری سیارات سنگی به جای گاز غول?” آن را به اشتراک گذاشتن الکترون های ایجاد شده قابل مشاهده ماده در جهان هستی است. هنگامی که ما یک درک عمیق تر از این فرایندهای شیمیایی ما می توانید به دست آورید ظریف-دانه درک فیزیک نجومی و کلی تاریخچه جهان ما.

tinyurlis.gdv.gdv.htu.nuclck.ruulvis.netshrtco.dehec.sutny.im

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>