В космическое будущее по «отпечаткам пальцев» молекул

Ученый Томского политеха пополняет мировую базу данных астрофизиков

Недавно Российский научный фонд (РНФ) поддержал проект доцента Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ, кандидата физико-технических наук, PhD Анны Фомченко. Ученый занимается спектроскопией высокого разрешения молекулы аммиака (NH3) - эти исследования будут использованы астрофизиками в изучении атмосфер Земли и других планет Солнечной системы. Проект будет реализовываться в течение трех лет - в 2018–2020 годах.

В Томском политехе Анна Фомченко занимается анализом спектров молекул в неизученных ранее диапазонах с высоким разрешением: обрабатывает экспериментальные данные и «вытаскивает» из них физическую информацию. Для того чтобы такую информацию извлечь, ученому необходимо сначала разработать метод исследования, построить математическую модель, написать программы для исследования спектров, а уже потом проводить интерпретацию и решать так называемую обратную задачу.

По словам Анны, для всего этого достаточно компьютера или ноутбука.

— Как многим известно, каждая молекула имеет свой спектр, не повторяющийся ни у какой другой молекулы, — как отпечатки пальцев у человека. Зная линии разных молекул, можно определить по спектру, из чего она состоит. Также в спектрах заложена информация о температуре и давлении, — рассказывает Анна Фомченко. — Именно по этой причине спектральные данные так интересны астрофизикам: они позволяют дистанционно исследовать состав атмосфер планет. Я как раз занимаюсь пополнением баз данных спектральных линий (HITRAN, GEISA и т. д.), с помощью которых специалисты смогут определить химический состав атмосфер других планет, в том числе выяснить, возможна ли на них жизнь.

Необычная молекула

Молекулами Анна начала интересоваться еще в студенчестве. В 2008 году она попала в коллектив профессора Олега Уленекова, и с тех пор эти частицы стали главной частью ее научной жизни. Наша героиня изучала изотопологи различных молекул, например молекул метана и этилена, а теперь предмет ее исследований — молекула аммиака.

— В процессе исследования малых молекул появляется некий азарт — хочется изучить каждую со всех сторон, все модификации и свойства, узнать про них буквально все. А молекулу аммиака «узнать поближе» хочется особенно — это необычная, интересная частица, — отмечает ученый. — Молекула аммиака похожа на пирамиду, но она единственная среди пирамидных молекул обладает инверсионным колебанием, то есть при растяжении «выворачивается и опускает центральное ядро вниз». Она так ведет себя из-за наличия так называемого подбарьерного туннелирования.

По словам Анны, за счет инверсионных колебаний спектры молекулы аммиака становятся сложнее, «гуще». Поэтому ее удобно использовать как модель и тестировать на ней разные методы, а потом применять их для других молекул.

Как рассказывает политехник, аммиак и его изотопологи были зафиксированы в средних слоях так называемого «горячего» льда, заключенного между ядром и газовой атмосферой планет-гигантов Нептуна и Урана. Молекула этого вещества и ее изотопические модификации признаны важными газовыми индикаторами для характеристики различных эволюционных стадий образования звезд. Также известно, что характеристики этой молекулы являются важным инструментом в изучении происхождения материалов межзвездной и Солнечной систем.

— Еще исследование этой молекулы может помочь в зондировании атмосферы Земли. Аммиак вреден для здоровья человека: он в больших количествах выбрасывается предприятиями, а по спектрам можно определить не только свойства, но и концентрацию, давление вещества. Другими словами, с помощью такого анализа можно вычислить уровень загрязненности атмосферы.

Эксперименты

Что касается экспериментальной части проекта, то она будет выполнена в кооперации с рядом зарубежных научных центров — лидеров в области экспериментальной спектроскопии высокого разрешения. Это Технический университет Брауншвейга (Германия) и Университет Париж-Кретель (Франция). С первым Томский политех сотрудничает уже пять лет, а с французским — совсем недавно. Ежегодно ученые данной области съезжаются на конференции в Европу, на подобном мероприятии один из экспериментаторов увидел постер с докладом политехников, заинтересовался и предложил сотрудничество. С тех пор Университет Париж-Кретель стал партнером ТПУ. В нем есть прибор «SOLEIL» — источник синхротронного излучения, который используется в широком диапозоне. Все спектры регистрируются на фурье-спектрометре «Bruker». Таких установок в ТПУ пока нет, но политехники имеют возможность ежегодно летать в командировки в университеты-партнеры и работать там на специальном оборудовании, самостоятельно снимать эксперименты. Анна и ее коллеги-политехники анализируют диапазоны, которые ранее в мире еще не были исследованы с высоким разрешением, либо совершенствуют старые.

— Также мы сами просим экспериментаторов поснимать для нас ту или иную молекулу. Им очень выгодно с нами работать и подавать совместные заявки на гранты — ведь им тоже нужно закупать образцы, держать в хорошем состоянии прибор, поддерживать систему его охлаждения. Такие приборы бывают размером с целую комнату, — говорит Анна.

Команда

— На сегодняшний день в гранте я одна, но скоро ко мне присоединятся двое аспирантов — это политехник Алексей Кузнецов и выпускница ТГУ Анастасия Белова, которая решила продолжить исследования в Томском политехе. Оба аспиранта, помимо томских вузов, прошли обучение в Университете Бургундии во Франции и вернулись с дипломами европейского образца. Надеюсь, что наш проект ляжет в основу их диссертаций, — отмечает Анна.?— В нашем коллективе Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов все очень увлечены предметом своих исследований. Мы часто работаем допоздна - в полдесятого приходит вахтер и начинает нас выгонять. Студенты тоже с удовольствием приходят к нам поработать. Думаю, что моим аспирантам будет также интересно.

В рамках гранта РНФ командой Анны будет разработан широкий теоретический базис и алгоритмы, на основе которых будет создано программное обеспечение для исследования колебательно-вращательных спектров молекул с инверсионными колебаниями. Полученные результаты будут применены для исследования впервые зарегистрированных экспериментальных спектров молекулы аммиака и ее изотопологов.

Подготовила Алена Некрасова