Молекулярное облако Тельца, в котором находится TMC-1, выглядит в верхней части изображения как темное облако, блокирующее свет звезд на заднем плане, как видно из Шарлоттсвилля, штат Вирджиния. Фото: Бретт А. Макгуайр.
Команда под руководством исследователей из Массачусетского технологического института обнаружила, что далекое межзвездное облако содержит большое количество пирена, типа крупной углеродсодержащей молекулы, известной как полициклический ароматический углеводород (ПАУ).
Открытие пирена в этом далеком облаке, похожем на скопление пыли и газа, которое в конечном итоге стало нашей собственной солнечной системой, позволяет предположить, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей солнечной системе. Эта гипотеза также подтверждается недавним открытием того, что образцы, доставленные с околоземного астероида Рюгу, содержат большое количество пирена.
«Один из больших вопросов в формировании звезд и планет заключается в следующем: какая часть химического состава этого раннего молекулярного облака унаследована и образует базовые компоненты Солнечной системы? Мы рассматриваем начало и конец, а также они показывают одно и то же. Это довольно убедительное доказательство того, что этот материал из раннего молекулярного облака проникает в лед, пыль и каменистые тела, составляющие нашу Солнечную систему», — говорит Бретт Макгуайр, доцент кафедры химии. Массачусетский технологический институт.
Из-за своей симметрии сам пирен невидим для радиоастрономических методов, которые использовались для обнаружения около 95% молекул в космосе. Вместо этого исследователи обнаружили изомер цианопирена, версию пирена, которая вступала в реакцию с цианидом, нарушая его симметрию. Молекула была обнаружена в далеком облаке, известном как TMC-1, с помощью 100-метрового телескопа Грин-Бэнк (GBT), радиотелескопа в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии.
Макгуайр и Ильза Кук, доцент кафедры химии Университета Британской Колумбии, являются старшими авторами статьи, описывающей полученные результаты в журнале Science. Габи Вензель, постдок Массачусетского технологического института из группы Макгуайра, является ведущим автором исследования.
Углерод в космосе
Считается, что ПАУ, которые содержат кольца атомов углерода, слитых вместе, хранят от 10 до 25% углерода, существующего в космосе. Более 40 лет назад ученые с помощью инфракрасных телескопов начали обнаруживать особенности, которые, как считается, принадлежат колебательным модам ПАУ в космосе, но этот метод не смог точно определить, какие именно типы ПАУ существуют.
«С тех пор, как в 1980-х годах была разработана гипотеза ПАУ, многие люди признали, что ПАУ находятся в космосе и что они были обнаружены в метеоритах, кометах и образцах астероидов, но мы не можем использовать инфракрасную спектроскопию для однозначной идентификации отдельных ПАУ в космосе. пространство», — говорит Венцель.
В 2018 году группа под руководством Макгуайра сообщила об открытии бензонитрила — шестиуглеродного кольца, присоединенного к нитрильной (углеродно-азотной) группе — в ТМС-1. Чтобы сделать это открытие, они использовали GBT, который может обнаруживать молекулы в космосе по их вращательным спектрам — характерным образцам света, которые молекулы испускают, когда они падают в космосе. В 2021 году его команда обнаружила первые отдельные ПАУ в космосе: два изомера цианонафталина, состоящего из двух слитых вместе колец, к одному из которых присоединена нитрильная группа.
На Земле ПАУ обычно встречаются в качестве побочных продуктов сжигания ископаемого топлива, а также их можно обнаружить в следах от обуглившихся продуктов, приготовленных на гриле. Их открытие в ТМС-1, температура которого составляет всего около 10 К, предполагает, что они также могут образовываться при очень низких температурах.
Тот факт, что ПАУ также были обнаружены в метеоритах, астероидах и кометах, заставил многих ученых выдвинуть гипотезу о том, что ПАУ являются источником большей части углерода, из которого образовалась наша собственная Солнечная система. В 2023 году исследователи из Японии обнаружили большое количество пирена в образцах, доставленных с астероида Рюгу во время миссии Хаябуса-2, а также более мелкие ПАУ, включая нафталин.
Это открытие побудило Макгуайра и его коллег искать пирен в ТМС-1. Пирен, содержащий четыре кольца, крупнее любого другого ПАУ, обнаруженного в космосе. Фактически, это третья по величине молекула, обнаруженная в космосе, и самая крупная из когда-либо обнаруженных с помощью радиоастрономии.
Прежде чем искать эти молекулы в космосе, исследователям сначала пришлось синтезировать цианопирен в лаборатории. Циановая или нитрильная группа необходима молекуле для испускания сигнала, который может обнаружить радиотелескоп. Синтез выполнил постдок Массачусетского технологического института Шуо Чжан в группе Элисон Вендландт, доцента химии Массачусетского технологического института.
Затем исследователи проанализировали сигналы, которые молекулы излучают в лаборатории, которые точно такие же, как сигналы, которые они излучают в космосе.
Используя GBT, исследователи обнаружили эти сигнатуры по всему TMC-1. Они также обнаружили, что на долю цианопирена приходится около 0,1% всего углерода, обнаруженного в облаке, что звучит незначительно, но имеет большое значение, если принять во внимание тысячи различных типов углеродсодержащих молекул, существующих в космосе, говорит МакГуайр.
«Хотя 0,1% не кажется большим числом, большая часть углерода заключена в монооксиде углерода (CO), второй по распространенности молекуле во Вселенной после молекулярного водорода. Если мы отбросим CO, то одна из каждых нескольких сотен или около того Остальные атомы углерода находятся в пирене. Представьте себе тысячи различных молекул, почти все из которых содержат много разных атомов углерода, и одна из нескольких сотен находится в пирене», — говорит он. «Это абсолютно огромное изобилие. Почти невероятный сток углерода. Это межзвездный остров стабильности».
Эвин ван Дишок, профессор молекулярной астрофизики Лейденской обсерватории в Нидерландах, назвал это открытие «неожиданным и захватывающим».
«Он основан на более ранних открытиях более мелких ароматических молекул, но сделать скачок сейчас к семейству пиренов — это огромно. Это не только демонстрирует, что значительная часть углерода заключена в этих молекулах, но также указывает на другое образование пути ароматических веществ, чем рассматривались до сих пор», — говорит ван Дишок, который не участвовал в исследовании.
Обилие пирена
Межзвездные облака, такие как TMC-1, могут в конечном итоге дать начало звездам, поскольку сгустки пыли и газа объединяются в более крупные тела и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы возникают из газа и пыли, окружающих молодые звезды. Ученые не могут оглянуться назад во времени на межзвездное облако, давшее начало нашей Солнечной системе, но открытие пирена в ТМС-1, а также присутствие большого количества пирена на астероиде Рюгу, позволяют предположить, что пирен мог иметь был источником большей части углерода в нашей Солнечной системе.
«Теперь у нас есть, я бы рискнул сказать, самые веские доказательства этого прямого молекулярного наследования от холодного облака до реальных горных пород Солнечной системы», — говорит МакГуайр.
Теперь исследователи планируют искать еще более крупные молекулы ПАУ в ТМС-1. Они также надеются исследовать вопрос о том, образовался ли пирен, обнаруженный в TMC-1, внутри холодного облака или он прибыл из других частей Вселенной, возможно, в результате высокоэнергетических процессов сгорания, окружающих умирающие звезды.
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
