Обнаружены в космосе: сложные углеродные молекулы
Считается, что большая часть углерода в космосе существует в форме крупных молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). С 1980-х годов косвенные данные указывали на их обилие в космосе, но их не наблюдали напрямую.
Теперь группа исследователей под руководством доцента MIT Бретта МакГвайра идентифицировала два специфических ПАУ в области пространства под названием Молекулярное облако Тельца (TMC-1). Считалось, что ПАУ эффективно образуются только при высоких температурах — на Земле они являются побочными продуктами сжигания ископаемого топлива и также содержатся в подгоревших отметинах на гриле. Однако межзвёздное облако, где их обнаружили, ещё не начало формировать звёзды, а температура там составляет около 10 градусов выше абсолютного нуля.
Это открытие предполагает, что эти молекулы могут формироваться при гораздо более низких температурах, чем ожидалось. Это может заставить учёных пересмотреть представления о роли химии ПАУ в формировании звёзд и планет.
«Что делает это обнаружение таким важным, так это то, что мы не только подтвердили гипотезу, которая разрабатывалась 30 лет, но теперь можем изучить все другие молекулы в этом источнике и спросить, как они реагируют, образуя видимые нами ПАУ, как эти ПАУ могут реагировать с другими веществами, возможно, формируя более крупные молекулы, и какие последствия это может иметь для нашего понимания роли очень крупных углеродных молекул в формировании планет и звёзд», — говорит МакГвайр, старший автор исследования.
Исследование опубликовано в Science. В команду также входят учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, Университета Вирджинии, Национальной радиоастрономической обсерватории и Центра космических полётов имени Годдарда NASA.
Характерные сигналы
С 1980-х годов астрономы с помощью телескопов регистрировали инфракрасные сигналы, указывающие на наличие ароматических молекул (обычно содержащих одно или несколько углеродных колец). Предполагается, что от 10 до 25% космического углерода содержится в ПАУ (не менее двух углеродных колец), но инфракрасные сигналы не были достаточно чёткими для идентификации конкретных молекул.
Радиотелескопы, достаточно мощные для обнаружения таких крупных молекул, существуют чуть более десяти лет. Они могут улавливать вращательные спектры молекул — характерные паттерны света, которые молекулы испускают, вращаясь в пространстве. Затем исследователи могут сопоставить паттерны, наблюдаемые в космосе, с паттернами тех же молекул, полученными в земных лабораториях.
«Как только вы получаете такое совпадение паттернов, вы знаете, что никакая другая молекула во Вселенной не может испускать именно этот спектр. А интенсивность линий и относительная сила разных частей паттерна говорят вам о количестве молекулы и о том, насколько она тёплая или холодная», — объясняет МакГвайр.
Открытие в TMC-1
Исследователи изучали TMC-1 несколько лет, так как предыдущие наблюдения показали, что оно богато сложными углеродными молекулами. Несколько лет назад член команды обнаружил намёки на присутствие в облаке бензонитрила — шестиуглеродного кольца с нитрильной (CN) группой.
Для подтверждения использовали телескоп Грин-Бэнк, крупнейший в мире управляемый радиотелескоп. В данных также нашли сигнатуры двух других молекул — ПАУ, о которых идёт речь в исследовании. Эти молекулы, 1-цианонафталин и 2-цианонафталин, состоят из двух сочленённых бензольных колец с нитрильной группой, присоединённой к одному из них.
«Обнаружение этих молекул — огромный скачок вперёд в астрохимии. Мы начинаем соединять точки между малыми молекулами, такими как бензонитрил, известными в космосе, и монолитными ПАУ, столь важными в астрофизике», — говорит Кельвин Ли, постдок MIT и соавтор исследования.
Обнаружение этих молекул в холодном, лишённом звёзд TMC-1 предполагает, что ПАУ — не просто побочные продукты умирающих звёзд, но могут собираться из более мелких молекул.
«В месте, где мы их нашли, нет звезды, поэтому они либо собираются на месте, либо являются остатками мёртвой звезды. Мы считаем, что это, вероятно, комбинация обоих путей — свидетельства указывают, что это не исключительно один путь или другой. Это ново и интересно, потому что до этого не было никаких наблюдательных доказательств этого пути "снизу вверх"», — отмечает МакГвайр.
Значение для химии углерода
Углерод играет критическую роль в формировании планет. Предположение, что ПАУ могут присутствовать даже в лишённых звёзд холодных регионах космоса, может заставить учёных пересмотреть теории о доступных химических веществах во время формирования планет. Реагируя с другими молекулами, ПАУ могут начать формировать межзвёздные пылевые зёрна — «семена» астероидов и планет.
«Нам нужно полностью переосмыслить наши модели эволюции химии, начиная с этих беззвёздных ядер, чтобы включить тот факт, что они формируют эти крупные ароматические молекулы», — говорит МакГвайр.
Исследователи планируют продолжить изучение того, как образовались эти ПАУ и какие реакции они могут претерпевать в космосе. Они также намерены сканировать TMC-1 с помощью мощного телескопа Грин-Бэнк. Получив данные из межзвёздного облака, учёные попытаются сопоставить сигнатуры с данными, полученными на Земле путём помещения двух молекул в реактор, воздействия на них киловольтами электричества (разрушая на части и позволяя рекомбинировать). Это может привести к образованию сотен различных молекул, многие из которых никогда не видели на Земле.
«Нам нужно продолжать выяснять, какие молекулы присутствуют в этом межзвёздном источнике, потому что чем больше мы знаем о его составе, тем больше можем пытаться соединить части этой сети реакций», — заключает МакГвайр.