Космос ближе, чем мы думали: как во Вселенной зарождалась жизнь, выясняют исследователи в Самаре

Неземные условия

В центре областной столицы есть уникальная космическая лаборатория. Температура -268 °C, вакуум. Тут миллионы лет галактической эволюции сжимаются до 10 часов эксперимента. Установку, имитирующую эти неземные в прямом смысле слова условия, вместе с коллегами собрал Иван Антонов, доцент Самарского университета имени Королёва. В Центре лабораторной астрофизики он изучает, как ведут себя молекулы вне Земли.

- На нашей планете все состоит из молекул, отдельных атомов практически нет. Воздух – из молекул кислорода и азота, сами мы – из белков, жиров и углеводов – тоже больших молекул, - объясняет Антонов. - До некоторого времени считалось, что в космосе есть только отдельные атомы, например, водорода и гелия. С 30-х годов прошлого века начали обнаруживать молекулы и стало понятно: космос устроен сложнее, чем мы думали. За колоссальное время жизни Вселенной отдельные частицы успевают встретиться и создать молекулы. Вопрос в том, как они могут появляться в таких условиях: очень глубокий вакуум, слишком холодно и ужасающий уровень радиации, лучи которой летят с бешеной скоростью и, по идее, должны развалить все связи на своем пути.

Разгадка этих тайн поможет понять, по каким законам устроена наша Вселенная.

- В прикладном смысле это помогает найти ответы на вечные вопросы о том, одни ли мы в нашей галактике, как образовалась жизнь на Земле, была ли она занесена извне или развилась только в наших условиях, - рассказывает астрохимик.

В начале была книга

Это сегодня исследования Антонова помогают в том числе решать философские вопросы бытия, а начинался его путь в науку с любопытства и книг из библиотеки бабушки, учительницы химии. 12-томную детскую советскую энциклопедию он начал изучать еще дошкольником, а особое впечатление на него тогда произвела "Биография атома" (6+). Это научно-популярная книга о развитии физико-молекулярных идей со времен древних греков и до XX века. Именно такие издания, по словам Антонова, формируют научное мышление с детства. Одна книга может определить весь жизненный вектор.

- Пока ты ребенок, все можно поменять одной книжкой, если она увлекательная. В моем случае так и произошло, - вспоминает ученый.

В школе № 41 Иван проявлял себя с разных сторон: увлекался химией, физикой, историей и даже археологией.

- Был неусидчивый, да, но "вывозил" за счет математических способностей, общей подготовки и начитанности, - рассказывает он о своих школьных годах.

Особых успехов добился в химии благодаря талантливому учителю. Парень побеждал в областных олимпиадах, хотя на всероссийском этапе столкнулся с жесткой конкуренцией. Уровень подготовки сверстников из гимназий и спецшкол был тогда слишком высоким.

Млечный путь в науку

Перед Антоновым стоял непростой выбор между разными науками. Он серьезно увлекался археологией, прошел с десяток полевых сезонов. Но все же выбрал химию. Перевесили успехи на профильных олимпиадах и желание заниматься наукой, которая обращена не в прошлое, а в будущее.

Поступив на химический факультет Самарского государственного университета (ныне – Самарский университет имени Королёва), Антонов окончательно определился с призванием. Там он познакомился с кристаллографией – наукой на стыке химии и математики, которая стала его первой серьезной специализацией.
После университета Антонов три года работал в самарском филиале Физического института РАН, где занимался исследованиями кислородно-иодного лазера.

В начале 2000-х он принял непростое решение уехать в США, где в университете Эмори получил ученую степень PhD. Это академическая квалификация, присуждаемая после защиты диссертации в иностранных университетах.

За почти 20 лет работы в американских университетах Антонов сменил несколько специализаций – от спектроскопии до изучения процессов горения, утилизации атомных отходов.

- Я, по сути, двигался зигзагами из химии в физику и обратно. В Америке мобильное научное сообщество: люди пробуют многое на своем пути, прежде чем выбрать одно направление, - отмечает он различия в подходах к науке.

Несмотря на успехи за рубежом, Антонов всегда планировал вернуться.

- Накапливал знания и получал практический опыт. Вырос и понял, что хочу заниматься более сложными вещами и уже в качестве руководителя, - говорит он.

Возвращение и открытия

В 2021 году Антонов вернулся в Самару, где возглавил Центр лабораторной астрофизики, созданный на мегагрант Правительства России. Это там есть та самая уникальная установка, воспроизводящая условия глубокого космоса. Собрать и запустить ее смогла команда единомышленников из филиала ФИАН и Самарского университета им. Королёва.

- В мире таких установок – шесть, и одна из них у нас, - с гордостью отмечает ученый. - В Штатах я изучал, как происходит загорание топлива, а самарцы тогда изучали, как образуется сажа. Очень важная прикладная задача. Ведь сажа приводит к загрязнению окружающей среды, с этим надо бороться и разрабатывать технологии экологически чистого горения. Сажа образуется не только в двигателях, но и в звездах – на последних этапах жизни таких небольших, как наше Солнце. Эти частицы являются основой для космического синтеза молекул. Когда звезда на поздних этапах начинает коптить, сажа летит во все стороны, и на нее начинают оседать простые молекулы. Они садятся и образуют ледяную корку. Вот исследованием процессов в этих космических льдах и занимается сейчас наша команда.

Современное оборудование позволило самарским исследователям сделать сенсационное открытие. В условиях, имитирующих межзвездное пространство, они впервые синтезировали лактальдегид – предшественник молочной кислоты. Наши первыми в мире экспериментально доказали: во льдах в глубоком космосе под влиянием галактических лучей может образовываться это важное для процессов зарождения жизни органическое соединение. Получить его удалось из замороженной смеси этилового спирта и угарного газа.

- Мы предоставляем науке новые данные о механизмах формирования сложных органических молекул в межзвездной среде и возможной роли этих молекул в происхождении жизни на Земле, - резюмирует Антонов.

Установка, на которой работают самарские ученые, позволяет "ускорять" космические процессы.

- Около 10 часов экспериментов на Земле оказались эквивалентны миллиону лет полета замороженных частиц звездной пыли по Млечному Пути, - говорит астрохимик.

В сверхвысоком вакууме при температуре -268 °C (всего на 5 градусов выше абсолютного нуля) ученые облучают ледяные смеси электронами, имитируя воздействие космических лучей. Толщина исследуемого "льда" составляет всего несколько сотен нанометров. Примерно такая "мантия" и покрывает частицы космической пыли.
Благодаря работе Антонова и его коллег Самара стала признанным центром исследований в области астрохимии. Появление подобного оборудования в губернской столице сделало город научным центром компетенций по исследованию зарождения жизни во Вселенной. Сейчас одна из главных задач Антонова – создать сильную научную школу.

- Здесь стало интересно работать. Хочется на пересечении физики и химии создать существенный задел, направление. Если ученики меня превзойдут – великолепно. Значит, научная школа будет жить, - рассчитывает ученый.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий. Больше информации – на сайте проекта "Одержимы наукой".