Учените откриха молекули, които съхраняват голяма част от въглерода в космоса

Екип, ръководен от изследователи от Масачузетския технологичен институт, е открил, че далечен междузвезден облак съдържа голямо количество пирен - вид голяма въглеродна молекула, известна като полицикличен ароматен въглеводород (ПАВ).

Идентифицирането на пирен в този далечен облак, който е подобен на сбора от прах и газ, който в крайна сметка се е превърнал в нашата собствена Слънчева система, предполага, че той може да е бил източник на голяма част от въглерода в нашата Слънчева система. Тази хипотеза се подкрепя и от неотдавнашното откритие, че проби, върнати от близкия до Земята астероид Рюгу, съдържат големи количества пирен.

„Един от големите въпроси в областта на формирането на звездите и планетите е: Каква част от химическия инвентар от този ранен молекулярен облак е наследена и формира основните компоненти на Слънчевата система? Това, което разглеждаме, е началото и краят, а те показват едно и също нещо. [Откритието ни] представлява силно доказателство, че този материал от ранния молекулярен облак намира своя път в леда, праха и скалистите тела, които изграждат нашата Слънчева система“, казва Брет Макгуайър, доцент по химия в Масачузетския технологичен институт.

Поради своята симетрия самият пирен е невидим за радиоастрономическите техники, които са използвани за идентифициране на около 95 % от молекулите в космоса. Вместо това изследователите откриват изомер на цианопирена - версия на пирена, която е реагирала с цианид, за да наруши симетрията си. Молекулата е открита в отдалечен облак, известен като TMC-1, с помощта на 100-метровия радиотелескоп „Грийн Банк“ (GBT).

Макгуайър и Илса Кук, доцент по химия в Университета на Британска Колумбия, са старши автори на статия, описваща откритията, която ще излезе в Science. Габи Венцел, постдокторант от Масачузетския технологичен институт в групата на Макгуайър, е водещ автор на изследването.

Въглерод в космоса

Смята се, че ПАВ, които съдържат пръстени от въглеродни атоми, слети заедно, съхраняват от 10 до 25 % от въглерода, който съществува в космоса. Преди повече от 40 години учени, използващи инфрачервени телескопи, започнаха да откриват характеристики, за които се смята, че принадлежат на вибрационни режими на ПАВ в космоса, но тази техника не можеше да разкрие точно кои видове се намират там.

„Откакто хипотезата за ПАВ беше разработена през 80-те години на миналия век, мнозина приемаха, че тези молекули се намират в космоса, и те бяха открити в метеорити, комети и проби от астероиди, но всъщност не можем да използваме инфрачервена спектроскопия, за да идентифицираме недвусмислено отделни ПАВ в космоса“, казва Венцел.

През 2018 г. екип, ръководен от Макгуайър, съобщи за откриването на бензонитрил - шествъглероден пръстен, свързан с нитрилна (въглеродно-азотна) група - в TMC-1. За да направят това откритие, те използват телескопа „Грийн Банк“, който може да открива молекули в пространството по техните ротационни спектри - характерни светлинни модели, които молекулите излъчват, докато се движат в пространството. През 2021 г. екипът му идентифицира първите отделни ПАВ в космоса: два изомера на цианонафталена, който се състои от два пръстена, слети заедно, с нитрилна група, прикрепена към единия пръстен.

На Земята ПАВ често се срещат като странични продукти от изгарянето на изкопаеми горива, а също така се откриват в следите от овъгляване на храна, приготвена на скара. Откриването им в TMC-1, чиято температура е само около 10 келвина, подсказва, че е възможно те да се образуват и при много ниски температури.

Фактът, че ПАВ са открити и в метеорити, астероиди и комети, накара много учени да изкажат хипотезата, че молекулите са източник на голяма част от въглерода, формирал нашата Слънчева система. През 2023 г. изследователи от Япония откриват големи количества пирен в проби, върнати от астероида Рюгу по време на мисията Хаябуса2, заедно с по-малки ПАВ, включително нафталин.

Това откритие мотивира Макгуайър и колегите му да потърсят пирен в TMC-1. Пиренът, който съдържа четири пръстена, е по-голям от всички останали ПАВ, открити в космоса. Всъщност това е третата по големина молекула, идентифицирана в космоса, и най-голямата, откривана някога с помощта на радиоастрономията.

Преди да търсят тези молекули в космоса, изследователите първо трябваше да синтезират цианопирен в лаборатория. Циано или нитрилната група е необходима, за да може молекулата да излъчва сигнал, който радиотелескопът може да открие. Синтезът е извършен от постдокторанта на Масачузетския технологичен институт (MIT) Шуо Жанг в групата на Алисън Уендландт, доцент по химия в MIT.

След това изследователите анализират сигналите, които молекулите излъчват в лабораторията, които са абсолютно същите като сигналите, които те излъчват в космоса.

С помощта на телескопа „Грийн Банк“ изследователите откриват тези признаци в целия TMC-1. Те също така установяват, че цианопиренът представлява около 0,1 % от всичкия въглерод, открит в облака, което звучи малко, но е значимо, когато се вземат предвид хилядите различни видове въглерод-съдържащи молекули, които съществуват в космоса, казва Макгуайър.

„Макар че 0,1% не звучи като голямо число, повечето въглерод е уловен във въглеродния оксид (CO) - втората по разпространение молекула във Вселената освен молекулярния водород. Ако оставим настрана СО, един на всеки няколкостотин останали въглеродни атома се намира в пирена. Представете си хилядите различни молекули, които съществуват, почти всички с много различни въглеродни атоми в тях, и една от няколкостотин е в пирена“, казва той. „Говорим за огромно изобилие.“

Еуин ван Дисхук, професор по молекулярна астрофизика в Лайденската обсерватория в Нидерландия, нарича откритието „неочаквано и вълнуващо“. „То не само доказва, че значителна част от въглерода е заключена в тези молекули, но също така посочва различни пътища за образуване на ароматни вещества, отколкото са разглеждани досега“, допълва ван Дисхук, който не е участвал в изследването.

Източник: EurekAlert