Астрономы открыли молекулы, сохраняющие большую часть углерода в космосе

Исследователи обнаружили, что далекое межзвездное облако содержит большое количество пирена, относящегося к крупным углеродсодержащим молекулам, известным как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).

Об открытии рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Обнаружение пирена в далеком облаке, которое подобно газопылевому скоплению, что когда-то стало нашей собственной Солнечной системой, позволяет предположить, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей Солнечной системе. Эту гипотезу также подтверждает недавнее открытие, что образцы, возвращенные с околоземного астероида Рюгу, содержат большое количество пирена.

"Один из главных вопросов в формировании звезд и планет заключается в том, какая часть химического инвентаря из того раннего молекулярного облака унаследована и формирует базовые компоненты Солнечной системы? Мы рассматриваем начало и конец, и они показывают одно и то же. Это достаточно убедительное доказательство того, что этот материал из раннего молекулярного облака попадает в лед, пыль и каменистые тела, из которых состоит наша Солнечная система", - говорит Бретт МакГвайр, доцент кафедры химии MIT.

Благодаря своей симметрии пирен сам по себе невидим для радиоастрономических методов, которые используются для обнаружения около 95 процентов молекул в космосе. Вместо этого исследователи обнаружили изомер цианопирена, версию пирена, которая вступила в реакцию с цианидом, нарушив его симметрию. Молекула была обнаружена в отдаленном облаке, известном как TMC-1, с помощью 100-метрового телескопа Грин Бэнк (GBT), радиотелескопа в одноименной обсерватории в Западной Вирджинии.

МакГвайр и Ильза Кук, доцент кафедры химии Университета Британской Колумбии, являются ведущими авторами статьи с описанием результатов исследования, вышедшей в журнале Science. Габи Венцель, постдок из MIT в группе МакГвайра, является ведущим автором исследования.

Углерод в космосе

Считается, что ПАУ, которые содержат кольца атомов углерода, слитых вместе, сохраняют от 10 до 25 процентов углерода, существующего в космосе. Более 40 лет назад ученые с помощью инфракрасных телескопов начали обнаруживать особенности, которые, как считается, принадлежат к колебательным модам ПАУ в космосе, но этот метод не мог точно определить, какие именно типы ПАУ существуют там.

"С тех пор, как в 1980-х годах была разработана гипотеза ПАУ, многие люди признали, что ПАУ есть в космосе, и они были найдены в метеоритах, кометах и образцах астероидов, но мы не можем использовать инфракрасную спектроскопию для однозначной идентификации отдельных ПАУ в космосе", - говорит Венцель.

В 2018 году команда под руководством МакГвайра сообщила об открытии бензонитрила -- шестиуглеродного кольца, присоединенного к нитрильной (углерод-азот) группе -- в облаке TMC-1. Чтобы сделать это открытие, они использовали GBT, который может обнаруживать молекулы в космосе по их спектрам вращения -- характерным световым признакам, которые молекулы излучают, когда они мечутся в космосе. В 2021 году его команда обнаружила первые индивидуальные ПАУ в космосе: два изомера цианонафталина, который состоит из двух колец, сплавленных вместе, с нитрильной группой, присоединенной к одному кольцу.

На Земле ПАУ обычно образуются как побочные продукты сжигания ископаемого топлива. Также их можно найти в отпечатках угля на блюдах, приготовленных на гриле. Их открытие в TMC-1, температура которого составляет всего около 10 кельвинов, свидетельствует о том, что они также могут образовываться при очень низких температурах.

Тот факт, что ПАУ также были найдены в метеоритах, астероидах и кометах, натолкнул многих ученых на гипотезу, что ПАУ являются источником большей части углерода, который сформировал нашу Солнечную систему. В 2023 году японские исследователи обнаружили большое количество пирена в образцах, возвращенных с астероида Рюгу во время миссии "Хаябуса-2", вместе с меньшими ПАУ, в частности нафталином.

Это открытие побудило МакГвайра и его коллег искать пирен в облаке TMC-1. Пирен, который содержит четыре кольца, больше любого другого ПАУ, обнаруженного в космосе. Фактически, это третья по размеру молекула, обнаруженная в космосе, и самая большая из тех, что когда-либо были обнаружены с помощью радиоастрономии.

Прежде чем искать эти молекулы в космосе, исследователям сначала пришлось синтезировать цианопирен в лаборатории. Циано или нитрильная группа необходима для того, чтобы молекула излучала сигнал, который может обнаружить радиотелескоп. Синтез был выполнен постдоком MIT Шуо Чжаном в группе Элисон Вендландт, доцента химии MIT.

Затем исследователи проанализировали сигналы, которые молекулы излучают в лаборатории, которые точно такие же, как и сигналы, которые они излучают в космосе.

Используя GBT, исследователи нашли эти сигнатуры по всему TMC-1. Они также обнаружили, что на цианопирен приходится около 0,1 процента всего углерода, найденного в облаке, что звучит мало, но является значительным, если учесть тысячи различных типов углеродсодержащих молекул, которые существуют в космосе, говорит МакГвайр.

"Хотя 0,1 процента не звучит как большая цифра, большинство углерода находится в ловушке в виде монооксида углерода (CO), второй по распространенности молекулы во Вселенной после молекулярного водорода. Если отбросить CO, то один из каждых нескольких сотен оставшихся атомов углерода находится в пиренее. Представьте себе тысячи различных молекул, которые существуют в природе, почти все они содержат много разных атомов углерода, и один из нескольких сотен из них -- пирен", - говорит он. "Это абсолютно огромное количество. Почти невероятное поглощение углерода. Это межзвездный остров стабильности".

Эвин ван Дишек, профессор молекулярной астрофизики Лейденской обсерватории в Нидерландах, назвал это открытие "неожиданным и захватывающим".

"Оно основывается на их предыдущих открытиях меньших ароматических молекул, но переход к семейству пиренов является огромным. Это не только демонстрирует, что значительная часть углерода заперта в этих молекулах, но и указывает на другие пути образования ароматических веществ, чем те, что рассматривались до сих пор", - говорит ван Дишек, не участвовавший в исследовании.

Большое количество пирена

Межзвездные облака, подобные TMC-1, могут со временем 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 заглянуть в прошлое, в межзвездное облако, которое дало начало нашей Солнечной системе, но открытие пирена в TMC-1, а также наличие большого количества пирена в астероиде Рюгу, свидетельствует о том, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей Солнечной системе.

"Сейчас мы имеем, я бы осмелился сказать, самое убедительное доказательство прямого молекулярного наследования от холодного облака до собственно горных пород в Солнечной системе", - говорит МакГвайр.

Теперь исследователи планируют искать еще большие молекулы ПАУ в TMC-1. Они также надеются исследовать вопрос, образовался ли пирен, найденный в TMC-1, внутри холодного облака, или он прибыл из другого места во Вселенной, возможно, из высокоэнергетических процессов горения, которые окружают умирающие звезды.