Сложные молекулы на основе углерода найдены в космосе

Считается, что значительная часть углерода в космосе существует в форме больших молекул, которые называются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Начиная с 1980-х годов появились косвенные данные, свидетельствующие о распространенности этих молекул в космосе, но непосредственно они не наблюдалось.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT).

Теперь, группа исследователей под руководством доцента MIT Бретта Макгуайра идентифицировала два характерных ПАУ на клочке космоса, который называется Молекулярное Облако Тельца (TMC-1). Считалось, что ПАУ эффективно образуются только при высоких температурах -- на Земле они возникают как побочные продукты сжигания ископаемого топлива, а также встречаются в виде нагара от угля на гриле. Но межзвездное облако, где исследовательская группа их наблюдала, еще не начало образовывать звезды, и имеет температуру около 10 градусов выше абсолютного нуля.

Это открытие позволяет предположить, что эти молекулы могут образовываться при значительно более низких температурах, чем ожидалось, и это может заставить ученых переосмыслить свои предположения о роли ПАУ-химии в образовании звезд и планет, утверждают исследователи.

"Что делает данное выявления настолько важным, это то, что мы не только подтвердили гипотезу, которая была выдвинута 30 лет назад, но теперь мы можем рассмотреть все другие молекулы в этом одном источнике и узнать, как они реагируют на образование ПАУ, которые мы видим, и как ПАУ, которые мы видим, могут реагировать с другими вещами, возможно, образуя большие молекулы, и какие последствия это может иметь для нашего понимания роли очень больших молекул углерода в формировании планет и звезд", - говорит Макгуайр, являющийся старшим автором нового исследования.

Майкл Маккарти, заместитель директора Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики, является еще одним старшим автором исследования, которое вышло в журнале Science. В состав исследовательской группы также входят ученые нескольких других учреждений, включая Университет Вирджинии, Национальную радиоастрономическую обсерваторию и Центр космических полетов NASA им. Годдарда.

Отличительные сигналы

Начиная с 1980-х годов, астрономы используют телескопы для обнаружения инфракрасных сигналов, по которым допускается наличие ароматических молекул, то есть молекул, которые обычно содержат одно или несколько углеродных колец. Считается, что примерно 10-25 процентов углерода в космосе должны быть в ПАУ, содержащие по крайней мере два углеродных кольца, но инфракрасные сигналы были недостаточно чёткими, чтобы идентифицировать конкретные молекулы.

"Это означает, что мы не можем копаться в подробных химических механизмах того, как они образуются, как они реагируют друг с другом или иными молекулами, как они разрушаются, и весь цикл углерода в процессе образования звезд и планет и в конце концов жизни", - говорит Макгуайр.

Хотя радиоастрономия является рабочей лошадкой молекулярных открытий в космосе с 1960-х годов, но радиотелескопы, достаточно мощные для выявления этих больших молекул, существуют только более десяти лет. Эти телескопы могут улавливать вращательные спектры молекул, которые представляют собой характерные паттерны света, которые молекулы отдают, когда они кувыркаются в космосе. Затем исследователи могут попробовать сопоставить паттерны, которые наблюдаются в космосе, с паттернами, которые они видели у тех же молекул в лабораториях на Земле.

"Как только вы получаете совпадение по паттернам, вы знаете, что не существует никакой другой молекулы, которая могла бы выдавать именно этот спектр. И, интенсивность линий и относительная мощь различных частей паттерна говорят вам что-то о том, сколько молекул, и насколько молекула теплая или холодная", - говорит Макгуайр.

Новости по подобной теме:

		Астрономы открыли молекулы, сохраняющие большую часть углерода в космосе
		Ученые определили признак в атмосфере экзопланет, который может свидетельствовать о жизнепригодности
		Образцы с астероида Рюгу показывают, что органические соединения могут образовываться в более холодных регионах космоса

Макгуайр и его коллеги изучали TMC-1 в течение нескольких лет, поскольку предыдущие наблюдения показали, что оно богато на сложные молекулы углерода. Несколько лет назад один из членов исследовательской группы наблюдал намеки на то, что в облаке содержится бензонитрил -- шестиуглеродное кольцо, присоединенное к нитрильной (углеродно-азотной) группе.

Затем исследователи использовали телескоп Green Bank, крупнейший в мире управляемый радиотелескоп, чтобы подтвердить наличие бензонитрила. В своих данных они также нашли подписи двух других молекул - ПАУ, о которых сообщается в данном исследовании. Эти молекулы, называемые 1-цианонафталеном и 2-цианонафталеном, состоят из двух бензольных колец, сросшихся между собой, с нитрильной группой, прикрепленной к одному кольцу.

"Выявление этих молекул является большим скачком вперед в астрохимии. Мы начинаем "соединять точки" между малыми молекулами -- как бензонитрил -- о которых известно, что они существуют в космосе, с монолитными ПАУ, которые так важны в астрофизике", - говорит Келвин Ли, докторант MIT, который является одним из авторов исследования.

Нахождение этих молекул в холодном, беззвездном TMC-1 свидетельствует о том, что ПАУ не просто являются побочными продуктами умирающих звезд, но могут быть собраны из меньших молекул.

"Там, где мы их нашли, нет звезд, поэтому либо они строятся на месте, или они являются остатками мертвой звезды", - говорит Макгуайр. "Мы считаем, что это, пожалуй, комбинация обоих случаев -- факты свидетельствуют, что ни одним, ни другим путем отдельно. Это кое-что новенькое и интересное, так как ранее на самом деле не было никаких наблюдательных доказательств для этого восходящего пути".

Углеродистая химия

Углерод играет решающую роль в формировании планет, поэтому предположение о том, что ПАУ могут присутствовать даже в беззвездных, холодных регионах космоса, может побудить ученых переосмыслить свои теории относительно того, какие химические вещества доступны при формировании планет, говорит Макгуайр. Когда ПАУ реагируют с другими молекулами, они могут начать образовывать межзвездные пылевые зерна, которые являются семенами для астероидов и планет.

"Нам нужно полностью пересмотреть наши модели развития химии, начиная с этих беззвездных сосредоточений, включив тот факт, что они образуют эти большие ароматические молекулы", - говорит он.

Сейчас Макгуайр и его коллеги планируют продолжить исследования того, как образовались эти ПАУ, и какие реакции они могут испытывать в космосе. Они также планируют продолжить сканирование TMC-1 с помощью мощного телескопа Green Bank. Как только они получат эти наблюдения с межзвездной облака, исследователи смогут попробовать совместить найденные ими сигнатуры данным, которые они сгенерировалы на Земле, поместив две молекулы в реактор и подорвав их киловольтом электричества, разбивая на кусочки и позволяя им рекомбинироваться. В результате могут образоваться сотни различных молекул, многие из которых никогда не были замечены на Земле.

"Нам следует продолжать смотреть, какие молекулы присутствуют в этом межзвездном источнике, потому что чем больший мы знаем их перечень, тем больше попыток по соединению кусочков этой реакционной сети мы можем начать", - говорит Макгуайр.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

• астрохимия