Ученые MIT обнаружили молекулы, хранящие большую часть углерода в космосе
Открытие существования производных пирена в далеком межзвездном облаке, сделанное командой исследователей из Массачусетского технологического института (MIT), может подсказать ученым, как сформировалась наша Солнечная система, 24 октября пишет пресс-служба университета.
Пирен (C₁₆H₁₀) — конденсированный полициклический ароматический углеводород (ПАУ). Его нахождение в этом далеком облаке, похожем на скопление пыли и газа, из которого образовалась и наша Солнечная система, дает возможность предположить, что пирен был источником большой части углерода и для нее. Такую гипотезу подтверждает недавнее открытие значительного количества пирена в образцах, полученных с околоземного астероида Рюгу.
Доцент кафедры химии MIT Бретт Макгуайр заявил: «Один из главных вопросов, связанных с формированием звезд и планет, заключается в следующем: какая часть химического состава этого раннего молекулярного облака унаследована и образует базовые компоненты Солнечной системы? Мы рассматриваем начало и конец, и они показывают одно и то же. Это довольно убедительное доказательство того, что этот материал из раннего молекулярного облака попадает в лед, пыль и скалистые тела, из которых состоит и наша Солнечная система».
Симметрия структуры пирена делает его невидимым для радиоастрономических методов, используемых для обнаружения около 95% молекул в космосе. Но исследователям удалось обнаружить изомер цианопирена — пирен, вступивший в реакцию с цианидом, что нарушило его симметрию.
Молекулу обнаружили в облаке TMC-1 с помощью 100-метрового радиотелескопа Грин-Бэнк (GBT) в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии. Ведущим автором исследования является постдок MIT Габи Венцель.
Астрофизики считают, что ПАУ содержат от 10 до 25% углерода, существующего в космосе. Еще более 40 лет назад ученые с помощью инфракрасных телескопов обнаружили особенности, которые, как предполагалось, относились к колебательным особенностям (модам) молекул ПАУ в космосе, но какие именно типы ПАУ присутствуют в космосе, с помощью этого метода определить было нельзя.
В 2018 году команда под руководством Макгуайра обнаружила в TMC-1 бензонитрил — шестиуглеродное кольцо, присоединенное к нитрильной (углерод-азотной) группе. Для этого они использовали GBT, он может обнаруживать молекулы в пространстве по их вращательным спектрам света, который молекулы испускают, когда они летят в космосе.
В 2021 году его команда обнаружила первые отдельные ПАУ в космосе: два изомера цианонафталина, который состоит из двух колец, соединенных вместе, с нитрильной группой, присоединенной к одному кольцу.
На Земле ПАУ обычно являются побочным продуктом сжигания ископаемого топлива, а также содержатся в обуглившихся продуктах, приготовленных на гриле. Но их открытие в TMC-1, температура в котором составляет всего около 10 градусов по Кельвину, позволяет предположить, что ПАУ могут образовываться при очень низких температурах.
А то, что ПАУ были обнаружены в метеоритах, астероидах и кометах, стало основанием для гипотезы, что ПАУ являются источником большей части углерода, из которого сформировалась наша собственная Солнечная система.
Когда в 2023 году исследователи в Японии обнаружили большое количество пирена в образцах, возвращенных с астероида Рюгу во время миссии «Хаябуса-2», а также более мелкие ПАУ, в том числе нафталин, Макгуайр и с коллегами стали искать пирен в TMC-1. Пирен, содержащий четыре кольца, является третьей по величине молекулой, обнаруженной в космосе, и самой крупной из когда-либо обнаруженных с помощью радиоастрономии.
Предварительно исследователи синтезировали цианопирен в лаборатории. Затем они там же проанализировали сигналы, которые молекулы излучают, — они совпадают с сигналами, излучаемыми этими молекулами в космосе. После чего с помощью GBT обнаружили эти сигналы по всему TMC-1 и подсчитали, что на долю цианопирена приходится около 0,1% всего углерода, обнаруженного в облаке.
Макгуайр пояснил: «Хотя 0,1% и не кажется таким уж большим числом, большая часть углерода содержится в монооксиде углерода (CO), второй по распространенности молекуле во Вселенной после молекулярного водорода. Если отбросить CO, то примерно один из каждых нескольких сотен оставшихся атомов углерода находится в пирене».
Межзвездные облака, подобные TMC-1, могут в конечном итоге привести к образованию звезд, поскольку скопления пыли и газа объединяются в более крупные тела и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы образуются из газа и пыли, окружающих молодые звезды.
Ученые не могут заглянуть в прошлое и увидеть межзвездное облако, которое породило нашу Солнечную систему, но обнаружение пирена в TMC-1 наряду с присутствием большого количества пирена в астероиде Рюгу позволяет предположить, что пирен, возможно, был источником большей части углерода в нашей собственной Солнечной системе.
Результаты своего исследования команда представила в статье «Обнаружение межзвездного 1-цианопирена: полициклического ароматического углеводорода с четырьмя кольцами» (Detection of interstellar 1-cyanopyrene: A four-ring polycyclic aromatic hydrocarbon), опубликованной 24 октября в журнале Science.
Исследователи планируют поискать в TMC-1 еще более крупные молекулы ПАУ. Они также хотят разобраться в том, образовался ли пирен в TMC-1, внутри этого холодного облака, или прибыл откуда-то еще из Вселенной, образовавшись, например, в результате высокоэнергетических процессов горения, которые окружают умирающие звезды.
