Обнаружение молекул, запасающих углерод, в далёком межзвёздном облаке может пролить свет на формирование нашей Солнечной системы

Исследователи из MIT обнаружили, что далёкое межзвёздное облако содержит большое количество пирена — крупной углеродсодержащей молекулы из класса полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).

Открытие пирена в этом облаке, похожем на скопление пыли и газа, из которого сформировалась наша Солнечная система, позволяет предположить, что пирен мог быть источником значительной части углерода в ней. Эта гипотеза также подтверждается недавним обнаружением больших количеств пирена в образцах, доставленных с околоземного астероида Рюгу.

"Один из главных вопросов в формировании звёзд и планет: какая часть химического состава того раннего молекулярного облака наследуется и становится базовыми компонентами Солнечной системы? Мы смотрим на начало и конец, и они показывают одно и то же. Это довольно веское доказательство того, что этот материал из раннего молекулярного облака попадает в лёд, пыль и каменистые тела, составляющие нашу Солнечную систему", — говорит Бретт МакГвайр, доцент химии MIT.

Из-за своей симметрии сам пирен невидим для методов радиоастрономии, с помощью которых было обнаружено около 95% молекул в космосе. Вместо этого исследователи обнаружили изомер цианопирена — версию пирена, прореагировавшую с цианидом, что нарушило его симметрию. Молекула была обнаружена в далёком облаке TMC-1 с помощью 100-метрового радиотелескопа Грин-Бэнк (GBT).

Углерод в космосе

Считается, что ПАУ, содержащие сконденсированные кольца атомов углерода, запасают от 10 до 25% всего углерода в космосе. Более 40 лет назад учёные с помощью инфракрасных телескопов начали обнаруживать особенности, которые приписываются колебательным модам ПАУ в космосе, но этот метод не мог точно определить, какие именно типы ПАУ там присутствуют.

В 2018 году команда МакГвайра сообщила об обнаружении бензонитрила в TMC-1. В 2021 году его команда обнаружила первые индивидуальные ПАУ в космосе: два изомера цианонафталина.

На Земле ПАУ обычно образуются как побочные продукты сжигания ископаемого топлива. Их обнаружение в TMC-1, температура которого составляет всего около 10 K, предполагает, что они могут образовываться и при очень низких температурах.

В 2023 году исследователи в Японии обнаружили большие количества пирена в образцах с астероида Рюгу, доставленных миссией "Хаябуса-2". Это открытие побудило команду МакГвайра искать пирен в TMC-1.

Пирен, содержащий четыре кольца, больше любых других ПАУ, обнаруженных в космосе. Это третья по величине молекула, идентифицированная в космосе, и самая большая, когда-либо обнаруженная с помощью радиоастрономии.

Перед поиском этих молекул в космосе исследователям пришлось синтезировать цианопирен в лаборатории. Циано- или нитрильная группа необходима, чтобы молекула излучала сигнал, который может обнаружить радиотелескоп.

С помощью GBT исследователи обнаружили сигнатуры цианопирена по всему облаку TMC-1. Они также выяснили, что цианопирен составляет около 0,1% всего углерода, обнаруженного в облаке.

"Хотя 0,1% не кажется большим числом, большая часть углерода заключена в монооксиде углерода (CO), второй по распространённости молекуле во Вселенной после молекулярного водорода. Если отбросить CO, то примерно каждый из нескольких сотен оставшихся атомов углерода находится в пирене. Это абсолютно огромная распространённость. Почти невероятный резервуар углерода", — говорит МакГвайр.

Изобилие пирена

Межзвёздные облака, подобные TMC-1, могут в конечном итоге породить звёзды, когда сгустки пыли и газа сливаются в более крупные тела и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы возникают из части газа и пыли, окружающих молодые звёзды.

Обнаружение пирена в TMC-1 вместе с присутствием больших количеств пирена в астероиде Рюгу предполагает, что пирен мог быть источником значительной части углерода в нашей собственной Солнечной системе.

"Теперь у нас есть, я бы сказал, самые веские доказательства за всё время этого прямого молекулярного наследования от холодного облака вплоть до реальных камней в Солнечной системе", — говорит МакГвайр.

Исследователи теперь планируют искать в TMC-1 ещё более крупные молекулы ПАУ. Они также надеются выяснить, образовался ли пирен, найденный в TMC-1, внутри холодного облака или прибыл из других частей Вселенной, возможно, из высокоэнергетических процессов горения, окружающих умирающие звёзды.