在太空中发现的复杂碳基分子


研究人员在西弗吉尼亚州使用了绿色银行望远镜,以定位在空间中称为多环芳烃的两个含碳分子的签名。积分:图片:Brett McGuir

空间中的大部分碳被认为以叫做多环芳烃(PAH)的大分子形式存在。自20世纪80年代以来,情况表明这些分子在空间中丰富,但尚未直接观察到。

现在,由麻省理工学院助理教授Brett McGuire领导的研究人员在一片名为Taurus分子云(TMC-1)的空间中发现了两个独特的PAH。PAHS被认为只在高温下有效地形成 - 在地球上,它们作为燃烧化石燃料的副产品而形成,它们也在烤食物上的Char标记中发现。但是,研究团队观察到它们的星际云尚未开始形成恒星,并且温度大约高于绝对零。

研究人员说,这一发现表明,这些分子可以在比预期更低的温度下形成,这可能会促使科学家重新思考他们关于多环芳烃化学在恒星和行星形成过程中所起作用的假设。

“是什么使得检测如此重要的是,我们不仅确认了已经在制作30年的假设,而且现在我们可以在这个来源中看一下所有其他分子,并询问他们如何反应形成PAHS我们看到,我们看到的PAH最多可能与其他事情作出反应,以形成更大的分子,以及可能对我们对长大碳分子在形成行星和星星中的角色的理解的影响,“谁是新研究的高级作者。

哈佛-史密森天体物理中心副主任迈克尔·麦卡锡是今天发表在《科学》杂志上的这项研究的另一位资深作者。该研究团队还包括来自其他几个机构的科学家,包括弗吉尼亚大学(University of Virginia)、美国国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory)和美国宇航局戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)。

独特的信号

从20世纪80年代开始,天文学家使用望远镜来检测建议存在芳族分子的红外信号,这是通常包括一种或多种碳环的分子。据信在空间中约有10至25%的碳,其含有至少两个碳环,但红外信号并不明显以识别特定分子。

“这意味着我们无法挖掘如何形成这些的详细的化学机制,它们如何与彼此或其他分子相互反应,如何被破坏,以及整个形成星星和行星的过程中的整个碳循环最终生活,“麦克威尔说。

尽管自20世纪60年代以来,射电天文学一直是太空分子发现的主力,但足以探测到这些大分子的射电望远镜才出现了10多年。这些望远镜可以捕捉到分子的旋转光谱,这是分子在太空中翻滚时发出的独特的光模式。然后,研究人员可以尝试将在太空中观察到的模式与他们在地球实验室中观察到的相同分子模式进行匹配。

“一旦你有那种模式匹配,你知道存在的情况下没有其他分子可以放弃这种精确的频谱。而且,线条的强度和不同碎片的相对强度会告诉你一些关于多少麦克威尔说,分子的分子是多么温暖或冷却。

McGuire和他的同事已经研究TMC-1好几年了,因为之前的观察显示它富含复杂的碳分子。几年前,研究小组的一名成员观察到云中含有苯腈——一个附着在腈(碳氮)基团上的六碳环。

然后,研究人员使用了世界上最大的可操纵无线电望远镜的绿色银行望远镜,以确认存在苯腈。在他们的数据中,他们还发现了另外两种分子的签名 - 本研究报告的PAHS。那些称为1-氰基萘和2-氰基萘的分子由两个稠合在一起的苯环组成,用一个环附着丁腈基团。

探测这些分子是天体化学的一大飞跃。我们开始连接小分子之间的点-像苯甲腈-已被知道存在于空间,以整体多环芳烃是如此重要的天体物理学,”开尔文李,麻省理工学院博士后是研究的作者之一。

在寒冷中发现这些分子,无星际的TMC-1表明PAHS不仅仅是垂死恒星的副产物,而且可以从较小的分子组装。

“在我们发现它们的地方,没有明星,所以要么他们正在建立到位,要么他们是一颗死星的剩菜,”麦克望说。“我们认为这可能是两者的结合 - 证据表明它既不是一个途径,也不是另一个途径。这是新的和有趣的,因为之前真的没有对这个自下而上途径的任何观察证据。”

碳的化学

McGuire说,碳在行星的形成中扮演着关键的角色,所以多环芳烃甚至可能存在于没有恒星的、寒冷的太空区域,这可能促使科学家重新思考在行星形成过程中可用的化学物质的理论。当多环芳烃与其他分子发生反应时,它们可能开始形成星际尘埃颗粒,这是小行星和行星的种子。

“我们需要完全重新思考我们的模型,从这些无空的核心开始,从这些无空的核心开始,包括它们形成这些大芳香族分子的事实,”他说。

McGuire和他的同事们现在计划进一步研究这些多环芳烃是如何形成的,以及它们在太空中会发生什么样的反应。他们还计划用强大的绿色银行望远镜继续扫描TMC-1。一旦他们从星际云中获得了这些观测结果,研究人员就可以尝试将他们发现的信号与他们在地球上产生的数据相匹配,方法是将两个分子放入一个反应堆中,用几千伏特的电流对它们进行爆破,将它们分解成碎片,然后让它们重新组合。这可能会产生数百种不同的分子,其中许多从未在地球上见过。

“我们需要继续看到这个星际源中存在的分子,因为我们越多了解库存,我们就越能开始尝试连接这种反应网络的碎片,”麦克望说。

这项研究由美国国家航空航天局、史密森学会、美国国家科学基金会、亚历山大·冯·洪堡基金会和欧盟的地平线2020研究和创新计划资助。

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