Рождение звезды: исследование раскрывает сложную химию внутри «звездных яслей»

Международная группа исследователей обнаружила, что может быть ключевым этапом химической эволюции молекул в космических «звездных яслях». Это обширные облака холодного газа и пыли в космосе, где триллионы молекул перемешиваются в течение миллионов лет. Коллапс этих межзвездных облаков в конечном итоге приводит к рождению молодых звезд и планет.

Как и человеческие тела, звездные ясли содержат множество органических молекул, состоящих в основном из атомов углерода и водорода. Результаты работы, опубликованные 6 февраля в журнале Nature Astronomy, показывают, как определенные крупные органические молекулы могут формироваться внутри этих облаков. Это один крошечный шаг в многомиллиардном химическом путешествии атомов углерода — от образования в недрах умирающих звезд до включения в состав планет и живых организмов на Земле и, возможно, за ее пределами.

«В этих холодных молекулярных облаках создаются первые строительные блоки, которые в конечном итоге сформируют звезды и планеты», — сказал Джорди Боуман, научный сотрудник Лаборатории атмосферной и космической физики (LASP) и доцент кафедры химии Колорадского университета в Боулдере.

В новом исследовании Боуман и его коллеги подробно изучили одни звездные ясли: Молекулярное облако Тельца (TMC-1). Этот регион находится в созвездии Тельца и удален примерно на 440 световых лет (более 2 квадриллионов миль) от Земли. Эта химически сложная среда является примером того, что астрономы называют «аккрецирующим беззвездным ядром». Его облако начало коллапсировать, но ученые еще не обнаружили внутри зарождающихся звезд.

Выводы команды основаны на обманчиво простой молекуле — орто-бензине. Опираясь на эксперименты на Земле и компьютерное моделирование, исследователи показали, что эта молекула может легко соединяться с другими в космосе, образуя широкий спектр более крупных органических молекул.

Другими словами, маленькие строительные блоки становятся большими.

И, по словам Боумана, эти реакции могут быть признаком того, что звездные ясли гораздо интереснее, чем считают ученые.

«Мы только в начале понимания того, как мы переходим от этих маленьких строительных блоков к более крупным молекулам, — сказал он. — Я думаю, мы обнаружим, что эта химия гораздо сложнее, чем мы думали, даже на самых ранних стадиях звездообразования».

Судьбоносное наблюдение

Боуман — космохимик, изучающий область, которая сочетает химию и астрономию для понимания химических реакций, происходящих в глубинах космоса.

На первый взгляд, холодные молекулярные облака могут не казаться очагом химической активности. Как следует из названия, эти галактические первичные «бульоны» обычно очень холодные, часто около -263 градусов Цельсия (примерно -440 градусов по Фаренгейту), всего на 10 градусов выше абсолютного нуля. Большинству реакций для запуска требуется хотя бы немного тепла.

Но, несмотря на холод, в звездных яслях, по-видимому, происходит сложная химия. В частности, TMC-1 содержит неожиданно высокие концентрации относительно крупных органических молекул с такими названиями, как фульвеналлен, 1- и 2-этинилциклопентадиен. Химики называют их «пятичленными циклическими соединениями», потому что каждое из них содержит кольцо из атомов углерода в форме пятиугольника.

«Исследователи продолжали обнаруживать эти молекулы в TMC-1, но их происхождение было неясно», — сказал Боуман.

Теперь у него и его коллег, кажется, есть ответ.

В 2021 году исследователи, использующие 40-метровый радиотелескоп Yebes в Испании, обнаружили неожиданную молекулу, скрывающуюся в газовых облаках TMC-1: орто-бензин. Боуман объяснил, что эта небольшая молекула, состоящая из кольца шести атомов углерода с четырьмя атомами водорода, является одним из экстравертов химического мира. Она легко взаимодействует с рядом других молекул и не требует для этого много тепла.

«Нет барьера для реакции, — сказал Боуман. — Это означает, что она обладает потенциалом для запуска сложной химии в холодных средах».

Определение ключевого игрока

Чтобы выяснить, какая сложная химия происходит в TMC-1, Боуман и его коллеги из США, Германии, Нидерландов и Швейцарии использовали метод «фотоэлектронной фотоионной совпаденийной спектроскопии». Команда использовала свет, генерируемый гигантским синхротронным источником излучения, для идентификации продуктов химических реакций. Они увидели, что орто-бензин и метильные радикалы, еще один распространенный компонент молекулярных облаков, легко соединяются, образуя более крупные и сложные органические соединения.

«Мы поняли, что нашли что-то важное», — сказал Боуман.

Затем команда использовала компьютерные модели, чтобы изучить роль орто-бензина в звездных яслях, растянувшихся на несколько световых лет в глубинах космоса. Результаты были многообещающими: модели генерировали газовые облака, содержащие примерно ту же смесь органических молекул, которую астрономы наблюдали в TMC-1 с помощью телескопов.

Другими словами, орто-бензин, по-видимому, является главным кандидатом на роль движущей силы газофазной органической химии, происходящей в этих звездных яслях, сказал Боуман.

Он добавил, что ученым предстоит еще много работы, чтобы полностью понять все реакции, происходящие в TMC-1. Он хочет, например, изучить, как органические молекулы в космосе также захватывают атомы азота — ключевые компоненты ДНК и аминокислот живых организмов на Земле.

«Наши выводы могут изменить взгляд на то, какие ингредиенты у нас есть в принципе для формирования новых звезд и новых планет», — сказал Боуман.

Среди соавторов новой статьи — исследователи из Лейденского университета (Нидерланды), Бенедиктинского колледжа (США), Вюрцбургского университета (Германия) и Института Пауля Шеррера (Швейцария).