Астрономи відкрили молекули, які зберігають більшу частину вуглецю у космосі

Дослідники виявили, що далека міжзоряна хмара містить велику кількість пірену, що відноситься до великих вуглецевмісних молекул, відомих як поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ).

Про відкриття розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Виявлення пірену в далекій хмарі, яка подібна газопиловому скупченню, що колись стало нашою власною Сонячною системою, дозволяє припустити, що пірен міг бути джерелом більшої частини вуглецю в нашій Сонячній системі. Цю гіпотезу також підтверджує нещодавнє відкриття, що зразки, повернуті з навколоземного астероїда Рюґу, містять велику кількість пірену.

"Одне з головних питань у формуванні зірок і планет полягає в тому, яка частина хімічного інвентарю з тієї ранньої молекулярної хмари успадкована й формує базові компоненти Сонячної системи? Ми розглядаємо початок і кінець, і вони показують одне й те саме. Це досить переконливий доказ того, що цей матеріал з ранньої молекулярної хмари потрапляє до льоду, пилу та кам'янистих тіл, з яких складається наша Сонячна система", - говорить Бретт МакҐвайр, доцент кафедри хімії MIT.

Завдяки своїй симетрії пірен сам по собі невидимий для радіоастрономічних методів, які використовуються для виявлення близько 95 відсотків молекул у космосі. Натомість дослідники виявили ізомер ціанопірену, версію пірену, яка вступила в реакцію з ціанідом, порушивши його симетрію. Молекула була виявлена у віддаленій хмарі, відомій як TMC-1, за допомогою 100-метрового телескопа Грін Бенк (GBT), радіотелескопа в однойменній обсерваторії у Західній Вірджинії.

МакҐвайр та Ільза Кук, доцентка кафедри хімії Університету Британської Колумбії, є провідними авторами статті з описом результатів дослідження, що вийшла в журналі Science. Габі Венцель, постдок з MIT в групі МакҐвайра, є провідною авторкою дослідження.

Вуглець у космосі

Вважається, що ПАВ, які містять кільця атомів вуглецю, злитих разом, зберігають від 10 до 25 відсотків вуглецю, що існує в космосі. Понад 40 років тому вчені за допомогою інфрачервоних телескопів почали виявляти особливості, які, як вважається, належать до коливальних модів ПАВ в космосі, але цей метод не міг точно визначити, які саме типи ПАВ існують там.

"Відтоді, як у 1980-х роках була розроблена гіпотеза ПАВ, багато людей визнали, що ПАВ є в космосі, і вони були знайдені в метеоритах, кометах і зразках астероїдів, але ми не можемо використовувати інфрачервону спектроскопію для однозначної ідентифікації окремих ПАВ в космосі", - каже Венцель.

У 2018 році команда під керівництвом МакҐвайр повідомила про відкриття бензонітрилу -- шестивуглецевого кільця, приєднаного до нітрильної (вуглець-азот) групи -- в хмарі TMC-1. Щоб зробити це відкриття, вони використовували GBT, який може виявляти молекули в космосі за їхніми спектрами обертання -- характерними світловими ознаками, які молекули випромінюють, коли вони метаються у космосі. У 2021 році його команда виявила перші індивідуальні ПАВ у космосі: два ізомери ціанонафталіну, який складається з двох кілець, сплавлених разом, з нітрильною групою, приєднаною до одного кільця.

На Землі ПАВ зазвичай утворюються як побічні продукти спалювання викопного палива. Також їх можна знайти у відбитках вугілля на стравах, приготованих на грилі. Їхнє відкриття в TMC-1, температура якого становить лише близько 10 кельвінів, свідчить про те, що вони також можуть утворюватися за дуже низьких температур.

Той факт, що ПАВ також були знайдені в метеоритах, астероїдах і кометах, наштовхнув багатьох вчених на гіпотезу, що ПАВ є джерелом більшої частини вуглецю, який сформував нашу Сонячну систему. У 2023 році японські дослідники виявили велику кількість пірену у зразках, повернутих з астероїда Рюґу під час місії "Хаябуса-2", разом з меншими ПАВ, зокрема нафталіном.

Це відкриття спонукало МакҐвайра та його колег шукати пірен в хмарі TMC-1. Пірен, який містить чотири кільця, більший за будь-який інший ПАВ, виявлений у космосі. Фактично, це третя за розміром молекула, виявлена в космосі, і найбільша з тих, що коли-небудь були виявлені за допомогою радіоастрономії.

Перш ніж шукати ці молекули в космосі, дослідникам спочатку довелося синтезувати ціанопірен в лабораторії. Ціано або нітрильна група необхідна для того, щоб молекула випромінювала сигнал, який може виявити радіотелескоп. Синтез був виконаний постдоком MIT Шуо Чжаном у групі Елісон Вендландт, доцента хімії MIT.

Потім дослідники проаналізували сигнали, які молекули випромінюють в лабораторії, які точно такі ж, як і сигнали, які вони випромінюють у космосі.

Використовуючи GBT, дослідники знайшли ці сигнатури по всьому TMC-1. Вони також виявили, що на ціанопірен припадає близько 0,1 відсотка всього вуглецю, знайденого в хмарі, що звучить мало, але є значним, якщо врахувати тисячі різних типів вуглецевмісних молекул, які існують в космосі, каже МакҐвайр.

"Хоча 0,1 відсотка не звучить як велика цифра, більшість вуглецю знаходиться в пастці у вигляді монооксиду вуглецю (CO), другої за поширеністю молекули у Всесвіті після молекулярного водню. Якщо відкинути CO, то один з кожних кількох сотень атомів вуглецю, що залишилися, знаходиться в пірені. Уявіть собі тисячі різних молекул, які існують у природі, майже всі вони містять багато різних атомів вуглецю, і один з кількох сотень з них -- пірен", - каже він. "Це абсолютно величезна кількість. Майже неймовірне поглинання вуглецю. Це міжзоряний острів стабільності".

Евін ван Дішек, професор молекулярної астрофізики Лейденської обсерваторії в Нідерландах, назвав це відкриття "несподіваним і захопливим".

"Воно ґрунтується на їхніх попередніх відкриттях менших ароматичних молекул, але перехід до сімейства піренів є величезним. Це не тільки демонструє, що значна частина вуглецю замкнена в цих молекулах, але й вказує на інші шляхи утворення ароматичних речовин, ніж ті, що розглядалися до цього часу", - говорить ван Дішек, який не брав участі в дослідженні.

Велика кількість пірену

Міжзоряні хмари, подібні до TMC-1, можуть з часом дати початок зорям, оскільки згустки пилу й газу об'єднуються у більші тіла та починають нагріватися. Планети, астероїди та комети виникають з газу та пилу, що оточують молоді зорі. Вчені не можуть зазирнути в минуле, у міжзоряну хмару, яка дала початок нашій Сонячній системі, але відкриття пірену в TMC-1, а також наявність великої кількості пірену в астероїді Рюґу, свідчить про те, що пірен міг бути джерелом більшої частини вуглецю в нашій Сонячній системі.

"Зараз ми маємо, я б наважився сказати, найпереконливіший доказ прямого молекулярного успадкування від холодної хмари до власне гірських порід у Сонячній системі", - каже МакҐвайр.

Тепер дослідники планують шукати ще більші молекули ПАВ у TMC-1. Вони також сподіваються дослідити питання, чи пірен, знайдений в TMC-1, утворився всередині холодної хмари, чи він прибув з іншого місця у Всесвіті, можливо, з високоенергетичних процесів горіння, які оточують зорі, що перебувають при смерті.