太空中发现的复杂碳基分子——“天体化学的重大飞跃”yabovip2021

狩猎芳香分子

在一系列的九篇论文中,GOTHAM - Green Bank望远镜观测TMC-1:寻找芳香分子项目的科学家描述了在金牛座分子云(或称TMC-1)中发现了十几种多环芳烃。这些以前从未在星际介质中检测到的复杂分子,使科学家能够更好地了解恒星、行星和太空中其他天体的形成过程。在这个艺术家的构想中,一些检测到的分子从左到右包括:1-氰-萘,1-氰-环戊二烯,HC11N, 2-氰-萘,乙烯-氰-乙炔,2-氰-环戊二烯,苯腈,反式(E)氰-氰-乙炔,HC4NC,丙基氰化物等。来源:M. Weiss /哈佛和史密森天体物理中心|

这一发现可能为碳在行星和恒星形成中的作用提供线索。

据信,太空中的大部分碳以大分子多环芳烃(PAHs)的形式存在。自20世纪80年代以来,环境证据表明这些分子在太空中大量存在,但它们一直没有被直接观察到。

现在,一组由麻省理工学院助理教授布雷特·麦圭尔在一块名为金牛座分子云(TMC-1)的空间中发现了两种独特的多环芳烃。多环芳烃被认为只有在高温下才能有效形成——在地球上,它们是燃烧化石燃料的副产品,也存在于烧烤食物的焦痕中。但研究小组观测到的星际云还没有开始形成恒星,温度大约在10度以上绝对零度

研究人员说,这一发现表明,这些分子可以在比预期低得多的温度下形成,这可能会促使科学家重新思考他们对多环芳烃在恒星和行星形成过程中所起作用的假设。yabovip2021

西弗吉尼亚州的格林班克望远镜

研究人员利用西弗吉尼亚州的格林班克望远镜定位了太空中两种被称为多环芳烃的含碳分子的特征。Brett McGuire信贷:

“检测之所以如此重要的是,我们不仅证实了假设已经30年,但现在我们可以看所有的其他分子在这一个源,问他们是如何反应形成我们看到的多环芳烃,多环芳烃我们看到如何与其他事情反应能形成更大的分子,以及这对我们理解巨大的碳分子在行星和恒星形成中的作用可能有什么影响,”麦圭尔说,他是这项新研究的资深作者。

哈佛-史密森天体物理中心副主任迈克尔·麦卡锡(Michael McCarthy)是这项研究的另一位资深作者科学.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、国家射电天文台和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心。

独特的信号

从20世纪80年代开始,天文学家开始使用望远镜探测红外信号,这些信号表明芳香分子的存在,这种分子通常包含一个或多个碳环。太空中大约10%到25%的碳被认为存在于多环芳烃中,多环芳烃至少包含两个碳环,但红外信号不够清晰,不足以识别特定的分子。

麦圭尔说:“这意味着我们不能深入研究这些物质如何形成的详细化学机制,它们如何与其他分子或其他分子反应,它们如何被破坏,以及碳在恒星、行星和最终生命形成过程中的整个循环过程。”

金牛座分子云中的多环芳烃

研究人员在一个被称为金牛座分子云(TMC-1)的空间区域发现了多环芳烃,该区域没有恒星。Brett McGuire信贷:

尽管自20世纪60年代以来,射电天文学一直是在太空中发现分子的主力,但能探测到这些大分子的射电望远镜只存在了十几年。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的模式相匹配。

“一旦你有了匹配的模式,你就知道,不存在其他分子能够发出这种精确的光谱。线条的强度和图案不同部分的相对强度告诉你分子的数量,以及分子的温度。”McGuire说。

McGuire和他的同事多年来一直在研究TMC-1,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的迹象——腈(碳氮)基团上的一个六碳环。

研究人员随后使用世界上最大的可操控射电望远镜绿岸望远镜(Green Bank Telescope)来证实苯腈的存在。在他们的数据中,他们还发现了另外两种分子的特征——本研究中报道的多环芳烃。这些分子被称为1-氰萘和2-氰萘,由两个苯环融合在一起,一个丁腈基连接在一个环上。

“探测到这些分子是天体化学的重大飞跃。yabovip2021我们正开始将小分子(如苯腈)与在天体物理学中非常重要的整体多环芳烃(PAHs)之间的点联系起来。”

在寒冷无星的TMC-1中发现这些分子表明多环芳烃不仅是濒死恒星的副产品,而且可能是由更小的分子组成的。

麦圭尔说:“在我们发现它们的地方,没有恒星,所以它们要么是在那里建立起来的,要么是一颗死恒星的残留物。”“我们认为这可能是两种途径的结合——证据表明,这既不是一种途径,也不是唯一的途径。这是一个新的有趣的发现,因为之前确实没有任何观察证据表明这种自下而上的途径。”

碳的化学yabovip2021

碳在行星的形成中起着至关重要的作用,所以多环芳烃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有什么化学物质存在的理论,McGuire说。当多环芳烃与其他分子反应时,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。

他说:“我们需要完全重新思考化学是如何演变的模型,从这些无星核心开始,包括它们正在形成这些大型芳香分子yabovip2021的事实。”

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,以及它们在太空中可能会发生什么样的反应。他们还计划继续用强大的绿色班克望远镜扫描TMC-1。一旦他们从星际云中获得了这些观测数据,研究人员就可以尝试将他们发现的特征与他们在地球上产生的数据进行匹配,方法是将两个分子放入一个反应堆,用千伏的电流对它们进行爆炸,将它们分解成小块,让它们重新组合。这可能会产生数百种不同的分子,其中许多在地球上从未见过。

麦奎尔说:“我们需要继续观察在这个星际源中存在什么分子,因为我们对库存了解得越多,就越能开始尝试连接这个反应网的各个部分。”

高谭市调查人员发现了太空中从未见过的装满复杂分子的仓库了解更多关于这一发现的信息。

参考:作者:Brett A. McGuire, Ryan A. Loomis, Andrew M. Burkhardt, Kin Long Kelvin Lee, Christopher N. Shingledecker, Steven B. Charnley, Ilsa R. Cooke, Martin A. Cordiner, Eric Herbst, Sergei Kalenskii, Mark A. Siebert, Eric R. Willis, Ci Xue,Anthony J. Remijan和Michael C. McCarthy, 2021年3月19日,科学
DOI: 10.1126 / science.abb7535

这项研究由美国宇航局、史密森尼学会、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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