Fundet i rummet:Komplekse kulstofbaserede molekyler

Meget af kulstoffet i rummet menes at eksistere i form af store molekyler kaldet polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er). Siden 1980'erne, indicier har indikeret, at disse molekyler er rigelige i rummet, men de er ikke blevet observeret direkte.

Nu, et team af forskere ledet af MIT assisterende professor Brett McGuire har identificeret to karakteristiske PAH'er i et område kaldet Taurus Molecular Cloud (TMC-1). PAH'er blev antaget kun at dannes effektivt ved høje temperaturer - på Jorden, de opstår som biprodukter fra afbrænding af fossile brændstoffer, og de findes også i char mærker på grillet mad. Men den interstellare sky, hvor forskerholdet observerede dem, er endnu ikke begyndt at danne stjerner, og temperaturen er omkring 10 grader over det absolutte nulpunkt.

Denne opdagelse antyder, at disse molekyler kan dannes ved meget lavere temperaturer end forventet, og det kan få videnskabsmænd til at genoverveje deres antagelser om PAH-kemiens rolle i dannelsen af ​​stjerner og planeter, siger forskerne.

"Det, der gør opdagelsen så vigtig, er, at vi ikke kun har bekræftet en hypotese, der har været 30 år undervejs, men nu kan vi se på alle de andre molekyler i denne ene kilde og spørge, hvordan de reagerer på at danne de PAH'er, vi ser, hvordan de PAH'er, vi ser, kan reagere med andre ting for muligvis at danne større molekyler, og hvilke implikationer det kan have for vores forståelse af meget store kulstofmolekylers rolle i dannelsen af ​​planeter og stjerner, " siger McGuire, som er seniorforfatter af den nye undersøgelse.

Michael McCarthy, associeret direktør for Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, er en anden seniorforfatter af undersøgelsen, som vises i dag i Videnskab . Forskerholdet omfatter også forskere fra flere andre institutioner, bl. herunder University of Virginia, National Radio Astronomy Observatory, og NASAs Goddard Space Flight Center.

Særprægede signaler

Fra 1980'erne, astronomer har brugt teleskoper til at detektere infrarøde signaler, der tydede på tilstedeværelsen af ​​aromatiske molekyler, som er molekyler, der typisk omfatter en eller flere kulstofringe. Omkring 10 til 25 procent af kulstoffet i rummet menes at findes i PAH'er, som indeholder mindst to carbonringe, men de infrarøde signaler var ikke tydelige nok til at identificere specifikke molekyler.

"Det betyder, at vi ikke kan grave i de detaljerede kemiske mekanismer for, hvordan disse dannes, hvordan de reagerer med hinanden eller andre molekyler, hvordan de ødelægges, og hele kulstofkredsløbet gennem hele processen med at danne stjerner og planeter og til sidst liv, " siger McGuire.

Selvom radioastronomi har været en arbejdshest for molekylær opdagelse i rummet siden 1960'erne, radioteleskoper, der er kraftige nok til at opdage disse store molekyler, har kun eksisteret i lidt over et årti. Disse teleskoper kan opfange molekylers rotationsspektre, som er karakteristiske lysmønstre, som molekyler afgiver, når de tumler gennem rummet. Forskere kan derefter prøve at matche mønstre observeret i rummet med mønstre, som de har set fra de samme molekyler i laboratorier på Jorden.

"Når du har det mønstermatch, du ved, at der ikke findes noget andet molekyle, der kunne afgive det nøjagtige spektrum. Og, intensiteten af ​​linjerne og den relative styrke af de forskellige stykker af mønsteret fortæller dig noget om, hvor meget af molekylet der er, og hvor varmt eller koldt molekylet er, " siger McGuire.

McGuire og hans kolleger har studeret TMC-1 i flere år, fordi tidligere observationer har afsløret, at den er rig på komplekse kulstofmolekyler. Et par år siden, et medlem af forskerholdet observerede antydninger af, at skyen indeholder benzonitril - en seks-carbon ring knyttet til en nitril (carbon-nitrogen) gruppe.

Forskerne brugte derefter Green Bank Telescope, verdens største styrbare radioteleskop, for at bekræfte tilstedeværelsen af ​​benzonitril. I deres data, de fandt også signaturer af to andre molekyler - PAH'erne rapporteret i denne undersøgelse. Disse molekyler, kaldet 1-cyanonaphthalen og 2-cyanonaphthalen, består af to benzenringe smeltet sammen, med en nitrilgruppe knyttet til den ene ring.

"At opdage disse molekyler er et stort spring fremad inden for astrokemien. Vi begynder at forbinde prikkerne mellem små molekyler - som benzonitril - der har været kendt for at eksistere i rummet, til de monolitiske PAH'er, der er så vigtige i astrofysik, " siger Kelvin Lee, en MIT postdoc, som er en af ​​forfatterne til undersøgelsen.

At finde disse molekyler i kulden, stjerneløs TMC-1 antyder, at PAH'er ikke kun er biprodukter af døende stjerner, men kan være sammensat af mindre molekyler.

"På det sted, hvor vi fandt dem, der er ingen stjerne, så enten bliver de bygget op på plads, eller også er de rester af en død stjerne, " siger McGuire. "Vi tror, ​​at det sandsynligvis er en kombination af de to - beviserne tyder på, at det hverken er den ene vej eller den anden udelukkende. Det er nyt og interessant, fordi der virkelig ikke havde været nogen observationsbeviser for denne bottom-up-vej før."

Kulstofkemi

Kulstof spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​planeter, så forslaget om, at PAH'er kan være til stede selv i stjerneløse, kolde områder i rummet, kan få videnskabsmænd til at genoverveje deres teorier om, hvilke kemikalier der er tilgængelige under planetdannelse, siger McGuire. Da PAH'er reagerer med andre molekyler, de kan begynde at danne interstellare støvkorn, som er frøene til asteroider og planeter.

"Vi er nødt til helt at gentænke vores modeller for, hvordan kemien udvikler sig, med udgangspunkt i disse stjerneløse kerner, at inkludere det faktum, at de danner disse store aromatiske molekyler, " han siger.

McGuire og hans kolleger planlægger nu yderligere at undersøge, hvordan disse PAH'er dannes, og hvilke slags reaktioner de kan gennemgå i rummet. De planlægger også at fortsætte med at scanne TMC-1 med det kraftfulde Green Bank Telescope. Når de først har disse observationer fra den interstellare sky, Forskerne kan prøve at matche de signaturer, de finder, med data, som de genererer på Jorden ved at sætte to molekyler ind i en reaktor og sprænge dem med kilovolt elektricitet, bryde dem i stykker og lade dem rekombinere. Dette kan resultere i hundredvis af forskellige molekyler, hvoraf mange aldrig er set på Jorden.

"Vi er nødt til at fortsætte med at se, hvilke molekyler der er til stede i denne interstellare kilde, fordi jo mere vi ved om opgørelsen, jo mere vi kan begynde at prøve at forbinde stykkerne af dette reaktionsvæv, " siger McGuire.