Открытие молекул, хранящих углерод, в далеком межзвездном облаке может пролить свет на то, как сформировалась наша Солнечная система

Молекулярное облако Тельца, в котором находится TMC-1, появляется в верхней части изображения как темное облако, блокирующее свет от фоновых звезд, как видно из Шарлоттсвилля, штат Вирджиния. Автор: Brett A. McGuire

Открытие пирена в этом далеком облаке, похожем на скопление пыли и газа, которое в конечном итоге стало нашей солнечной системой, предполагает, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей солнечной системе. Эта гипотеза также подтверждается недавним открытием, что образцы, доставленные с околоземного астероида Рюгу, содержат большое количество пирена.

«Один из главных вопросов в формировании звезд и планет: какая часть химического состава того раннего молекулярного облака унаследована и образует базовые компоненты Солнечной системы? Мы рассматриваем начало и конец, и они показывают одно и то же. Это довольно весомое доказательство того, что этот материал из раннего молекулярного облака попадает в лед, пыль и каменистые тела, из которых состоит наша Солнечная система», — говорит Бретт Макгуайр, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института.

Из-за своей симметрии пирен сам по себе невидим для радиоастрономических методов, которые использовались для обнаружения около 95% молекул в космосе. Вместо этого исследователи обнаружили изомер цианопирена, версию пирена, которая прореагировала с цианидом, нарушив свою симметрию. Молекула была обнаружена в далеком облаке, известном как TMC-1, с помощью 100-метрового телескопа Грин-Бэнк (GBT), радиотелескопа в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии.

МакГвайр и Ильза Кук, доцент кафедры химии в Университете Британской Колумбии, являются старшими авторами статьи, описывающей результаты в Science. Габи Венцель, постдок MIT в группе МакГвайра, является ведущим автором исследования.

Углерод в космосе

Считается, что ПАУ, которые содержат кольца атомов углерода, соединенных вместе, хранят от 10 до 25% углерода, который существует в космосе. Более 40 лет назад ученые, использующие инфракрасные телескопы, начали обнаруживать особенности, которые, как считается, принадлежат колебательным модам ПАУ в космосе, но эта техника не могла точно определить, какие типы ПАУ там находятся.

«С тех пор как в 1980-х годах была разработана гипотеза ПАУ, многие люди согласились с тем, что ПАУ находятся в космосе, и их находили 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 группа под руководством МакГвайра сообщила об открытии бензонитрила — шестиуглеродного кольца, присоединенного к нитрильной (углерод-азотной) группе — в TMC-1. Чтобы сделать это открытие, они использовали GBT, который может обнаруживать молекулы в космосе по их вращательным спектрам — отличительным узорам света, которые молекулы испускают, кувыркаясь в пространстве. В 2021 году его группа обнаружила первые отдельные ПАУ в космосе: два изомера цианонафталина, который состоит из двух слитых вместе колец с нитрильной группой, присоединенной к одному кольцу.

На Земле ПАУ обычно встречаются как побочные продукты сжигания ископаемого топлива, а также их можно обнаружить в следах угля на жареной еде. Их открытие в TMC-1, температура которого составляет всего около 10 кельвинов, предполагает, что они также могут образовываться при очень низких температурах.

Тот факт, что ПАУ также были обнаружены в метеоритах, астероидах и кометах, побудил многих ученых выдвинуть гипотезу о том, что ПАУ являются источником значительной части углерода, который сформировал нашу собственную солнечную систему. В 2023 году исследователи в Японии обнаружили большие количества пирена в образцах, возвращенных с астероида Рюгу во время миссии Хаябуса-2, наряду с более мелкими ПАУ, включая нафталин.

Это открытие побудило МакГвайра и его коллег искать пирен в TMC-1. Пирен, содержащий четыре кольца, больше, чем любой другой ПАУ, обнаруженный в космосе. Фактически, это третья по величине молекула, обнаруженная в космосе, и самая большая, когда-либо обнаруженная 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 испускала 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 лабораторных условиях, и они оказались точно такими же, как сигналы, которые они излучают в космосе.

Используя GBT, исследователи обнаружили эти сигнатуры по всему TMC-1. Они также обнаружили, что цианопирен составляет около 0,1% всего углерода, обнаруженного в облаке, что звучит немного, но является значительным, если учесть тысячи различных типов углеродсодержащих молекул, которые существуют в космосе, говорит МакГвайр.

«Хотя 0,1% не кажется большим числом, большая часть углерода заключена в оксиде углерода (CO), второй по распространенности молекуле во Вселенной после молекулярного водорода. Если мы отбросим CO, один из каждых нескольких сотен или около того оставшихся атомов углерода находится в пирене. Представьте себе тысячи различных молекул, которые существуют, почти все из них с множеством различных атомов углерода в них, и один из нескольких сотен находится в пирене», — говорит он. «Это абсолютно огромное изобилие. Почти невероятный сток углерода. Это межзвездный остров стабильности».

Эвин ван Дисхок, профессор молекулярной астрофизики Лейденской обсерватории в Нидерландах, назвал открытие «неожиданным и захватывающим».

«Это основано на их более ранних открытиях более мелких ароматических молекул, но сделать скачок сейчас к семейству пирена — это огромное достижение. Это не только демонстрирует, что значительная часть углерода заключена в этих молекулах, но и указывает на иные пути образования ароматических соединений, чем те, которые рассматривались до сих пор», — говорит ван Дишок, не принимавший участия в исследовании.

Обилие пирена

Межзвездные облака, такие как TMC-1, в конечном итоге могут дать начало звездам, поскольку сгустки пыли и газа объединяются в более крупные тела и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы возникают из некоторого количества газа и пыли, которые окружают молодые звезды. Ученые не могут оглянуться назад во времени на межзвездное облако, которое дало начало нашей собственной солнечной системе, но открытие пирена в TMC-1, наряду с наличием большого количества пирена в астероиде Рюгу, предполагает, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей собственной солнечной системе.

«Теперь у нас есть, я бы рискнул сказать, самые веские доказательства прямой молекулярной наследственности от холодного облака до реальных горных пород в Солнечной системе», — говорит МакГвайр.

Теперь исследователи планируют искать еще более крупные молекулы ПАУ в TMC-1. Они также надеются изучить вопрос о том, образовался ли пирен, обнаруженный в TMC-1, в холодном облаке или же он прибыл из другого места во Вселенной, возможно, из высокоэнергетических процессов горения, которые окружают умирающие звезды.

Больше информации: Gabi Wenzel et al, Detection of interstellar 1-cyanopyrene: a four-ring polycyclic aromatic hydrocarbon, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adq6391. www.science.org/doi/10.1126/science.adq6391

Источник: Massachusetts Institute of Technology