Лазер зафиксировал звук от сверхзвуковых молекул в условиях, близких к космическим

Автор: The Journal of Physical Chemistry A (2025). DOI: 10.1021/acs.jpca.5c02265

Что происходит, когда молекулы движутся быстрее звука в вакуумной камере, температура которой почти такая же, как в космосе? Исследователи из Университета Миссури выяснили это — и открыли новые способы обнаружения молекул в экстремальных условиях.

Это открытие в будущем может помочь химикам разгадать тайны астрохимии, предоставив новые подсказки о том, из чего состоит Вселенная, как формируются звёзды и планеты и даже где возникла жизнь.

В недавнем исследовании, опубликованном в The Journal of Physical Chemistry A, сотрудник университета Миссури Артур Суитс и аспирант Янан Лю направили лазер на молекулы метана, движущиеся быстрее скорости звука в вакуумной камере при температуре около –430°F (–256°C), что близко к температуре в некоторых областях открытого космоса.

Поскольку молекулы выбрасывались через сопло ракеты, создавался сверхзвуковой поток. Свет лазера поглощался молекулами, заставляя их «возбуждаться» и вибрировать друг о друга. Эти вибрации создавали крошечные звуковые волны — фактически звук, — которые Суитс зафиксировал с помощью сверхчувствительного микрофона.

Этот процесс использования света для создания звука — известный как фотоакустическая спектроскопия — ранее считался невозможным в экстремальных условиях, имитирующих космическое пространство. Это связано с тем, что в чрезвычайно холодной,почти вакуумной среде нет ничего, что могло бы передавать звук. Кроме того, как можно услышать что-то, движущееся быстрее скорости звука?

Тем не менее Суитс и его команда в Миссури обнаружили, что это возможно: возбуждение молекул преобразуется в звук в момент, когда молекулы ударяются о микрофон.

«Мы используем инструменты физики, чтобы понять, как происходит химия на самом детальном уровне, — сказал Суитс, выдающийся профессор Колледжа искусств и наук. — Например, лучше понимая, сколько вращения или вибрации имеет отдельная молекула, мы можем начать получать более фундаментальные знания о Вселенной, в которой живём, углубляя наше понимание астрохимии».

Исследования Суитса имеют широкое применение в астрохимии, а также в авиационной, производственной и энергетической отраслях.

«Это исследование в конечном итоге может помочь нам лучше понять химические реакции, происходящие в межзвёздных условиях — пространстве между звёздами, — изучая химические реакции в лаборатории в аналогичных условиях, — отметил Суитс. — Теперь, когда мы обнаружили новый способ обнаружения молекул при чрезвычайно низких температурах, мы можем начать использовать эту лазерную технологию для возбуждения множества различных молекул, помимо метана, и посмотреть, что ещё мы сможем узнать».

Больше информации: Yanan Liu et al, Photoacoustic Spectroscopy in a Supersonic Flow, The Journal of Physical Chemistry A (2025). DOI: 10.1021/acs.jpca.5c02265

Источник: University of Missouri