Складні молекули на основі вуглецю знайдено в космосі

Вважається, що значна частина вуглецю у космосі існує у формі великих молекул, які називаються поліциклічними ароматичними вуглеводнями (ПАВ). Починаючи з 1980-х років з′явилися непрямі дані, які свідчать про поширеність цих молекул в космосі, але безпосередньо вони не спостерігалися.

Про це розповідають у Массачусетському технологічному інституті (MIT).

Тепер, група дослідників під керівництвом доцента MIT Бретта Макгуайра ідентифікувала два характерних ПАВ на клаптику космоса, який називається Молекулярна Хмара Тельця (TMC-1). Вважалося, що ПАВ ефективно утворюються лише при високих температурах -- на Землі вони виникають як побічні продукти спалення викопного палива, а також зустрічаються у вигляді нагару від вугілля на грилі. Але міжзоряна хмара, де дослідницька група їх спостерігала, ще не почала утворювати зірки, і має температуру близько 10 градусів вище абсолютного нуля.

Це відкриття дозволяє припустити, що ці молекули можуть утворюватися при значно нижчих температурах, ніж очікувалося, і це може змусити вчених переосмислити свої припущення щодо ролі ПАВ-хімії в утворенні зірок і планет, стверджують дослідники.

"Що робить дане виявлення настільки важливим, це те, що ми не тільки підтвердили гіпотезу, яка була висунута 30 років тому, але тепер ми можемо розглянути всі інші молекули в цьому одному джерелі і дізнатися, як вони реагують на утворення ПАВ, які ми бачимо, та як ПАВ, які ми бачимо, можуть реагувати з іншими речами, можливо, утворюючи більші молекули, і які наслідки це може мати для нашого розуміння ролі дуже великих молекул вуглецю у формуванні планет і зірок", - говорить Макгуайр, який є старшим автором нового дослідження.

Майкл Маккарті, заступник директора Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики, є ще одним старшим автором дослідження, яке вийшло в журналі Science. До складу дослідницької групи також входять вчені кількох інших установ, включаючи Університет Вірджинії, Національну радіоастрономічну обсерваторію та Центр космічних польотів NASA ім. Годдарда.

Відмінні сигнали

Починаючи з 1980-х років, астрономи використовують телескопи для виявлення інфрачервоних сигналів, за якими припускається наявність ароматичних молекул, тобто молекул, які зазвичай містять одне або кілька вуглецевих кілець. Вважається, що приблизно 10-25 відсотків вуглецю в космосі мають бути в ПАВ, які містять принаймні два вуглецеві кільця, але інфрачервоні сигнали були недостатньо чіткими, щоб ідентифікувати конкретні молекули.

"Це означає, що ми не можемо копатися в детальних хімічних механізмах того, як вони утворюються, як вони реагують одна з одною чи іншими молекулами, як вони руйнуються, і весь цикл вуглецю в процесі утворення зірок і планет і врешті-решт життя", - говорить Макгуайр.

Хоча радіоастрономія є робочою конячкою молекулярних відкриттів у космосі з 1960-х років, та радіотелескопи, достатньо потужні для виявлення цих великих молекул, існують лише трохи більше десяти років. Ці телескопи можуть вловлювати обертальні спектри молекул, які являють собою характерні патерни світла, яке молекули віддають, коли вони перекочуються в космосі. Потім дослідники можуть спробувати зіставити патерни, що спостерігаються у космосі, з патернами, які вони бачили у тих самих молекул у лабораторіях на Землі.

"Як тільки ви отримуєте співпадіння за патерном, ви знаєте, що не існує жодної іншої молекули, яка могла б видавати саме цей спектр. І, інтенсивність ліній та відносна міць різних частин патерну говорять вам щось про те, скільки є молекул, і наскільки молекула тепла чи холодна", - говорить Макгуайр.

Макгуайр та його колеги вивчали TMC-1 протягом декількох років, оскільки попередні спостереження показали, що вона багата на складні молекули вуглецю. Кілька років тому один з членів дослідницької групи спостерігав натяки на те, що в хмарі міститься бензонітрил -- шестивуглецеве кільце, приєднане до нітрильної (вуглецево-азотної) групи.

Потім дослідники використали телескоп Green Bank, найбільший у світі керований радіотелескоп, щоб підтвердити наявність бензонітрилу. У своїх даних вони також знайшли підписи двох інших молекул -- ПАВ, про які повідомляється у даному дослідженні. Ці молекули, звані 1-ціанонафталеном та 2-ціанонафталеном, складаються з двох бензольних кілець, зрощених між собою, з нітрильною групою, прикріпленою до одного кільця.

"Виявлення цих молекул є великим стрибком вперед в астрохімії. Ми починаємо "з′єднувати точки" між малими молекулами -- як бензонітрил -- про які відомо, що вони існують у космосі, з монолітними ПАВ, які так важливі в астрофізиці", - говорить Келвін Лі , докторант MIT, який є одним з авторів дослідження.

Знаходження цих молекул у холодному, беззоряному TMC-1 свідчить про те, що ПАВ є не просто побічними продуктами зірок, що вмирають, але можуть бути зібрані з менших молекул.

"Там, де ми їх знайшли, немає зірок, тому або вони будуються на місці, або вони є залишками мертвої зірки", - говорить Макгуайр. "Ми вважаємо, що це, мабуть, комбінація обох випадків -- факти свідчать, що ані одним, ані іншим шляхом окремо. Це дещо новеньке та цікаве, оскільки раніше насправді не було жодних спостережних доказів для цього висхідного шляху".

Вуглецева хімія

Вуглець відіграє вирішальну роль у формуванні планет, тому припущення про те, що ПАВ можуть бути присутніми навіть у беззоряних, холодних регіонах космосу, може спонукати вчених переосмислити свої теорії щодо того, які хімічні речовини доступні під час формування планет, каже Макгуайр. Коли ПАВ реагують з іншими молекулами, вони можуть почати утворювати міжзоряні пилові зерна, які є насінням для астероїдів і планет.

"Нам потрібно повністю переглянути наші моделі розвитку хімії, починаючи з цих беззоряних осереддь, включивши той факт, що вони утворюють ці великі ароматичні молекули", - каже він.

Зараз Макгуайр та його колеги планують продовжити дослідження того, як утворилися ці ПАВ, і які реакції вони можуть зазнавати в космосі. Вони також планують продовжити сканування TMC-1 за допомогою потужного телескопа Green Bank. Як тільки вони отримають ці спостереження з міжзоряної хмари, дослідники зможуть спробувати поєднати знайдені ними сигнатури з даними, які вони згенерують на Землі, помістивши дві молекули в реактор і підірвавши їх кіловольтами електрики, розбиваючи на шматочки і дозволяючи їм рекомбінуватися. У результаті можуть утворитися сотні різних молекул, багато з яких ніколи не були помічені на Землі.

"Нам слід продовжувати дивитися, які молекули присутні в цьому міжзоряному джерелі, тому що чим більший ми знаємо їх перелік, тим більше спроб з поєднання шматочків цієї реакційної мережі ми можемо почати", - говорить Макгуайр.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.