Вчені виявляють молекули, які накопичують вуглець у космосі

Команда дослідників під керівництвом Массачусетського технологічного інституту виявила значну кількість пірену, великої молекули, багатої вуглецем, відомої як поліциклічний ароматичний вуглеводень (ПАВ), у віддаленій міжзоряній хмарі.  Це відкриття дає нове уявлення про походження вуглецю в нашій Сонячній системі та підтверджує теорії про молекулярні будівельні блоки, які сприяли його формуванню.

Міжзоряні хмари та походження Сонячної системи 

Міжзоряна хмара, про яку йде мова, відома як TMC-1, містить суміш пилу та газу, схожу на ту, яка зрештою сформувала нашу власну Сонячну систему. Відкриття Пірену в цьому середовищі свідчить про те, що він міг зіграти вирішальну роль у насиченні нашої Сонячної системи вуглецем. 

Ця ідея також підтверджується нещодавніми відкриттями про те, що пірен у великій кількості міститься у зразках навколоземного астероїда Рюгу, повернутих японською місією Hayabusa2.

«Одне з важливих питань у формуванні зірок і планет полягає в тому, яка частина хімічного запасу цієї ранньої молекулярної хмари успадкована і утворює базові компоненти Сонячної системи?» сказав старший автор Бретт Макгуайр, доцент кафедри хімії Массачусетського технологічного інституту. 

«Ми бачимо початок і кінець, і вони показують те саме. Це досить переконливий доказ того, що цей матеріал із ранньої молекулярної хмари потрапляє в лід, пил і кам’янисті тіла, з яких складається наша Сонячна система».

Виявлення пірену за допомогою радіоастрономії

Виявлення пірену в космосі є складним процесом, оскільки його симетрична структура робить його невидимим для традиційних радіоастрономічних методів. Щоб подолати це, дослідники зосередилися на ізомері під назвою ціанопірен, версії пірену, модифікованої ціанідом. 

Ця зміна порушує симетрію молекули, дозволяючи виявити її за унікальними обертальними спектрами – моделями світла, що випромінюється під час обертання молекули в просторі.

Команда використовувала 100-метровий телескоп Green Bank (GBT) у Західній Вірджинії, щоб ідентифікувати ці сигнали в межах TMC-1. Це відкриття ґрунтується на попередній роботі Макгуайра та інших, які ідентифікували менші ПАУ в тому ж регіоні, такі як бензонітрил і ціанонафталін.

Масивний поглинач вуглецю в космосі

Дослідники виявили, що ціанопірен становить приблизно 0,1 відсотка всього вуглецю, присутнього в TMC-1.  Макгуайр зауважив, що хоча 0,1 відсотка не звучить як велика кількість, більша частина вуглецю потрапила в окис вуглецю (CO), другу за поширеністю молекулу у Всесвіті, окрім молекулярного водню. 

«Якщо відкинути вуглекислий газ, один із кожні кілька сотень атомів вуглецю, що залишилися, знаходиться в пірені. Уявіть собі тисячі різних молекул, які знаходяться там, майже всі вони містять багато різних атомів вуглецю, і одна з кількох сотень знаходиться в пірені», – сказав Макгуайр.

«Це абсолютно величезна кількість. Майже неймовірне поглинання вуглецю. Це міжзоряний острів стабільності».

Виявлення пірену знаменує собою відкриття третьої за величиною молекули, знайденої в космосі, і найбільшої з усіх, які були виявлені за допомогою радіоастрономічних методів.

Наслідки для формування зірок і планет

Міжзоряні хмари, такі як TMC-1, можуть породжувати зірки та планетні системи, оскільки згустки пилу та газу об’єднуються, утворюючи нові небесні тіла. Наявність пірену в TMC-1 і подібних молекул в астероїді Рюгу свідчить про те, що такі багаті вуглецем сполуки можуть бути безпосередньо успадковані шляхом формування планетних систем, включаючи нашу власну.

 «Тепер ми маємо, я ризикну сказати, найпереконливіші докази цієї прямої молекулярної спадковості від холодної хмари аж до самих скель у Сонячній системі», — пояснив Макгуайр.

Результати дослідження привернули увагу ширшої наукової спільноти. Евіне ван Дішок, професор молекулярної астрофізики в Лейденській обсерваторії в Нідерландах, підкреслив важливість відкриття. 

«Це ґрунтується на їхніх попередніх відкриттях менших ароматичних молекул, але зробити стрибок зараз до сімейства піренів є величезним», — сказав ван Дішок. «Це не тільки демонструє, що значна частка вуглецю замкнена в цих молекулах, але й вказує на інші шляхи утворення ароматичних сполук, ніж вважалося досі».

Дослідження походження пірену

Тепер дослідницька група прагне дослідити, чи існують навіть більші молекули ПАУ в TMC-1, надаючи подальше розуміння ранніх хімічних процесів, які формують зоряні системи. 

Експерти також досліджують, чи пірен утворився в самому TMC-1, чи виник деінде у Всесвіті, потенційно переносячись через космос завдяки високоенергетичним процесам, подібним до тих, які зустрічаються біля вмираючих зірок.

Це дослідження не лише дозволяє глибше зрозуміти роль вуглецю у формуванні планетних систем, але й відкриває нові шляхи для вивчення молекулярного походження життя в космосі.  Оскільки вчені продовжують досліджувати таємниці космосу, такі відкриття наближають нас до розуміння хімічних зв’язків між далекими хмарами та еволюцією нашої власної Сонячної системи. Дослідження опубліковано в журналі Science.