Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили пирен, сложную молекулу углерода, в далеком межзвездном облаке, похожем на то, из которого сформировалась наша Солнечная система.
Обнаруженная с помощью радиоастрономии, эта находка позволяет предположить, что такие молекулы могут быть источником значительного количества углерода в Солнечной системе. Это совпадает с данными, полученными из образцов астероида Рюгу, и может изменить наше понимание распределения углерода в космосе и формирования планет.
Открытие пирена в далеком межзвездном облаке
Исследовательская группа под руководством Массачусетского технологического института обнаружила далекое межзвездное облако, богатое пиреном - крупной молекулой на основе углерода, классифицируемой как полициклический ароматический углеводород (ПАУ).
Обнаружение пирена в облаке, похожем на пыль и газ, из которых в конечном итоге образовалась наша Солнечная система, позволяет предположить, что пирен может быть основным источником углерода в нашей Солнечной системе. Эту идею также подтверждают недавние находки значительных количеств пирена в образцах, собранных с околоземного астероида Рюгу.
«Один из главных вопросов формирования звезд и планет - сколько химических веществ из раннего молекулярного облака унаследовано и сформировало базовые компоненты Солнечной системы? Мы смотрим на начало и конец, и они показывают одно и то же. Это довольно убедительное доказательство того, что материал из раннего молекулярного облака попал в лед, пыль и скалистые тела, из которых состоит наша Солнечная система», - говорит Бретт Макгуайр, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института.
Полученные данные свидетельствуют о том, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей Солнечной системе. «Это почти невероятный поглотитель углерода», - говорит Бретт Макгуайр (справа), стоящий вместе с ведущим автором исследования Габи Венцель. Кредит: Брайс Викмарк
Из-за своей симметрии пирен сам по себе невидим для методов радиоастрономии, которые используются для обнаружения около 95 процентов молекул в космосе. Вместо этого исследователи обнаружили изомер цианопирена - версии пирена, которая вступила в реакцию с цианидом, нарушив его симметрию. Молекула была обнаружена в далеком облаке, известном как TMC-1, с помощью 100-метрового Green Bank Telescope (GBT), радиотелескопа в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии.
Макгуайр и Ильза Кук, доцент химии в Университете Британской Колумбии, являются старшими авторами работы с описанием полученных результатов, которая была опубликована 24 октября в журнале Science. Габи Венцель, постдок Массачусетского технологического института в группе Макгуайра, является ведущим автором исследования.
Методы и проблемы обнаружения космических молекул
Считается, что в ПАУ, содержащих кольца из атомов углерода, соединенных вместе, содержится от 10 до 25 процентов углерода, существующего в космосе. Более 40 лет назад ученые с помощью инфракрасных телескопов начали обнаруживать в космосе особенности, которые, как считается, относятся к колебательным модам ПАУ, но эта техника не могла точно определить, какие типы ПАУ существуют в космосе.
«С тех пор как в 1980-х годах была разработана гипотеза о ПАУ, многие согласились с тем, что ПАУ есть в космосе, и они были найдены в метеоритах, кометах и образцах астероидов, но мы не можем использовать инфракрасную спектроскопию для однозначной идентификации отдельных ПАУ в космосе», - говорит Венцель.
«Один из главных вопросов в области формирования звезд и планет заключается в следующем: какая часть химического состава раннего молекулярного облака унаследована и сформировала базовые компоненты Солнечной системы? Мы смотрим на начало и конец, и они показывают одно и то же». говорит Макгуайр. Кредит: Брайс Викмарк
В 2018 году команда под руководством Макгуайра сообщила об обнаружении в TMC-1 бензонитрила - шестиуглеродного кольца, соединенного с нитрильной (углеродно-азотной) группой. Чтобы сделать это открытие, они использовали ГБТ, которая может обнаруживать молекулы в космосе по их вращательным спектрам - характерным узорам света, которые молекулы испускают при движении в космосе. В 2021 году его команда обнаружила в космосе первые индивидуальные ПАУ: два изомера цианонафталина, состоящего из двух сросшихся колец, к одному из которых прикреплена нитрильная группа.
На Земле ПАУ обычно являются побочными продуктами сжигания ископаемого топлива, их также можно обнаружить в следах обугливания на жареной пище. Их обнаружение в TMC-1, температура которой составляет всего около 10 кельвинов, позволило предположить, что они могут образовываться и при очень низких температурах.
Наличие и потенциал пирена
Тот факт, что ПАУ также были обнаружены в метеоритах, астероидах и кометах, заставил многих ученых предположить, что ПАУ являются источником большей части углерода, из которого сформировалась наша Солнечная система. В 2023 году исследователи из Японии обнаружили большое количество пирена в образцах, возвращенных с астероида Рюгу в ходе миссии Hayabusa2, наряду с более мелкими ПАУ, включая нафталин.
Это открытие побудило Макгуайра и его коллег искать пирен в TMC-1. Пирен, содержащий четыре кольца, крупнее всех других ПАУ, обнаруженных в космосе. Фактически, это третья по величине молекула, обнаруженная в космосе, и самая большая из когда-либо обнаруженных с помощью радиоастрономии.
Прежде чем искать эти молекулы в космосе, исследователи сначала синтезировали цианопирен в лаборатории. Циано или нитрильная группа необходима для того, чтобы молекула излучала сигнал, который может быть обнаружен радиотелескопом. Синтезом занимался постдок Массачусетского технологического института Шуо Чжан в группе Элисон Вендландт, доцента химии Массачусетского технологического института.
Затем исследователи проанализировали сигналы, которые молекулы излучают в лаборатории, и которые в точности совпадают с сигналами, которые они излучают в космосе.
Используя ГБТ, исследователи обнаружили эти сигнатуры по всему TMC-1. Они также обнаружили, что цианопирен составляет около 0,1 процента от всего углерода, обнаруженного в облаке, что кажется незначительным, но очень важно, если учесть тысячи различных типов углеродсодержащих молекул, которые существуют в космосе, говорит Макгуайр.
«Хотя 0,1 процента не кажется большим числом, большая часть углерода содержится в монооксиде углерода (CO), второй по распространенности молекуле во Вселенной, помимо молекулярного водорода. Если отбросить СО, то каждый из нескольких сотен оставшихся атомов углерода находится в пирене. Представьте себе тысячи различных молекул, почти все они имеют множество различных атомов углерода, и один из нескольких сотен приходится на пирен», - говорит он. «Это абсолютно огромное изобилие. Почти невероятное поглощение углерода. Это межзвездный остров стабильности».
Эвин ван Дишоек, профессор молекулярной астрофизики Лейденской обсерватории в Нидерландах, назвал это открытие «неожиданным и захватывающим».
«Оно основывается на более ранних открытиях небольших ароматических молекул, но переход к семейству пиренов — это нечто грандиозное. Оно не только демонстрирует, что значительная часть углерода заперта в этих молекулах, но и указывает на иные пути образования ароматических веществ, чем рассматривались до сих пор», - говорит ван Дишоек, который не принимал участия в исследовании.
Будущие исследования и астрохимические последствия
Межзвездные облака, подобные TMC-1, могут со временем дать начало звездам, поскольку сгустки пыли и газа объединяются в более крупные тела и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы образуются из газа и пыли, которые окружают молодые звезды. Ученые не могут заглянуть в прошлое и посмотреть на межзвездное облако, из которого возникла наша Солнечная система, но обнаружение пирена в TMC-1, а также наличие большого количества пирена в астероиде Рюгу позволяют предположить, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей Солнечной системе.
«Теперь у нас есть, я бы рискнул сказать, самое убедительное доказательство прямого молекулярного наследования от холодного облака до камней в Солнечной системе», - говорит Макгуайр.
Теперь исследователи планируют найти еще более крупные молекулы PAH в TMC-1. Они также надеются изучить вопрос о том, образовался ли пирен, обнаруженный в TMC-1, в холодном облаке или же он попал туда из другого места во Вселенной, возможно, в результате высокоэнергетических процессов горения, которые окружают умирающие звезды.
Секретный ингредиент космоса: Роль пирена в нашей Вселенной
Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили пирен, сложную молекулу углерода, в далеком межзвездном облаке, похожем на то, из которого сформировалась наша Солнечная система.
Обнаруженная с помощью радиоастрономии, эта находка позволяет предположить, что такие молекулы могут быть источником значительного количества углерода в Солнечной системе. Это совпадает с данными, полученными из образцов астероида Рюгу, и может изменить наше понимание распределения углерода в космосе и формирования планет.
Открытие пирена в далеком межзвездном облаке
Исследовательская группа под руководством Массачусетского технологического института обнаружила далекое межзвездное облако, богатое пиреном - крупной молекулой на основе углерода, классифицируемой как полициклический ароматический углеводород (ПАУ).
Обнаружение пирена в облаке, похожем на пыль и газ, из которых в конечном итоге образовалась наша Солнечная система, позволяет предположить, что пирен может быть основным источником углерода в нашей Солнечной системе. Эту идею также подтверждают недавние находки значительных количеств пирена в образцах, собранных с околоземного астероида Рюгу.
«Один из главных вопросов формирования звезд и планет - сколько химических веществ из раннего молекулярного облака унаследовано и сформировало базовые компоненты Солнечной системы? Мы смотрим на начало и конец, и они показывают одно и то же. Это довольно убедительное доказательство того, что материал из раннего молекулярного облака попал в лед, пыль и скалистые тела, из которых состоит наша Солнечная система», - говорит Бретт Макгуайр, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института.
Из-за своей симметрии пирен сам по себе невидим для методов радиоастрономии, которые используются для обнаружения около 95 процентов молекул в космосе. Вместо этого исследователи обнаружили изомер цианопирена - версии пирена, которая вступила в реакцию с цианидом, нарушив его симметрию. Молекула была обнаружена в далеком облаке, известном как TMC-1, с помощью a hundred-метрового Green Bank Telescope (GBT), радиотелескопа в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии.
Макгуайр и Ильза Кук, доцент химии в Университете Британской Колумбии, являются старшими авторами работы с описанием полученных результатов, которая была опубликована 24 октября в журнале Science. Габи Венцель, постдок Массачусетского технологического института в группе Макгуайра, является ведущим автором исследования.
Методы и проблемы обнаружения космических молекул
Считается, что в ПАУ, содержащих кольца из атомов углерода, соединенных вместе, содержится от 10 до 25 процентов углерода, существующего в космосе. Более 40 лет назад ученые с помощью инфракрасных телескопов начали обнаруживать в космосе особенности, которые, как считается, относятся к колебательным модам ПАУ, но эта техника не могла точно определить, какие типы ПАУ существуют в космосе.
«С тех пор как в 1980-х годах была разработана гипотеза о ПАУ, многие согласились с тем, что ПАУ есть в космосе, и они были найдены в метеоритах, кометах и образцах астероидов, но мы не можем использовать инфракрасную спектроскопию для однозначной идентификации отдельных ПАУ в космосе», - говорит Венцель.
В 2018 году команда под руководством Макгуайра сообщила об обнаружении в TMC-1 бензонитрила - шести углеродного кольца, соединенного с нитрильной (углеродно-азотной) группой. Чтобы сделать это открытие, они использовали ГБТ, которая может обнаруживать молекулы в космосе по их вращательным спектрам - характерным узорам света, которые молекулы испускают при движении в космосе. В 2021 году его команда обнаружила в космосе первые индивидуальные ПАУ: два изомера цианонафталина, состоящего из двух сросшихся колец, к одному из которых прикреплена нитрильная группа.
На Земле ПАУ обычно являются побочными продуктами сжигания ископаемого топлива, их также можно обнаружить в следах обугливания на жареной пище. Их обнаружение в TMC-1, температура которой составляет всего около 10 кельвинов, позволило предположить, что они могут образовываться и при очень низких температурах.
Наличие и потенциал пирена
Тот факт, что ПАУ также были обнаружены в метеоритах, астероидах и кометах, заставил многих ученых предположить, что ПАУ являются источником большей части углерода, из которого сформировалась наша Солнечная система. В 2023 году исследователи из Японии обнаружили большое количество пирена в образцах, возвращенных с астероида Рюгу в ходе миссии Hayabusa2, наряду с более мелкими ПАУ, включая нафталин.
Это открытие побудило Макгуайра и его коллег искать пирен в TMC-1. Пирен, содержащий четыре кольца, крупнее всех других ПАУ, обнаруженных в космосе. Фактически, это третья по величине молекула, обнаруженная в космосе, и самая большая из когда-либо обнаруженных с помощью радиоастрономии.
Прежде чем искать эти молекулы в космосе, исследователи сначала синтезировали цианопирен в лаборатории. Циано или нитрильная группа необходима для того, чтобы молекула излучала сигнал, который может быть обнаружен радиотелескопом. Синтезом занимался постдок Массачусетского технологического института Шуо Чжан в группе Элисон Вендландт, доцента химии Массачусетского технологического института.
Затем исследователи проанализировали сигналы, которые молекулы излучают в лаборатории, и которые в точности совпадают с сигналами, которые они излучают в космосе.
Используя ГБТ, исследователи обнаружили эти сигнатуры по всему TMC-1. Они также обнаружили, что цианопирен составляет около 0,1 процента от всего углерода, обнаруженного в облаке, что кажется незначительным, но очень важно, если учесть тысячи различных типов углеродсодержащих молекул, которые существуют в космосе, говорит Макгуайр.
«Хотя 0,1 процента не кажется большим числом, большая часть углерода содержится в монооксиде углерода (CO), второй по распространенности молекуле во Вселенной, помимо молекулярного водорода. Если отбросить СО, то каждый из нескольких сотен оставшихся атомов углерода находится в пирене. Представьте себе тысячи различных молекул, почти все они имеют множество различных атомов углерода, и один из нескольких сотен приходится на пирен», - говорит он. «Это абсолютно огромное изобилие. Почти невероятное поглощение углерода. Это межзвездный остров стабильности».
Эвин ван Дишоек, профессор молекулярной астрофизики Лейденской обсерватории в Нидерландах, назвал это открытие «неожиданным и захватывающим».
«Оно основывается на более ранних открытиях небольших ароматических молекул, но переход к семейству пиренов - это нечто грандиозное. Оно не только демонстрирует, что значительная часть углерода заперта в этих молекулах, но и указывает на иные пути образования ароматических веществ, чем рассматривались до сих пор», - говорит ван Дишоек, который не принимал участия в исследовании.
Будущие исследования и астрохимические последствия
Межзвездные облака, подобные TMC-1, могут со временем дать начало звездам, поскольку сгустки пыли и газа объединяются в более крупные тела и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы образуются из газа и пыли, которые окружают молодые звезды. Ученые не могут заглянуть в прошлое и посмотреть на межзвездное облако, из которого возникла наша Солнечная система, но обнаружение пирена в TMC-1, а также наличие большого количества пирена в астероиде Рюгу позволяют предположить, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей Солнечной системе.
«Теперь у нас есть, я бы рискнул сказать, самое убедительное доказательство прямого молекулярного наследования от холодного облака до камней в Солнечной системе», - говорит Макгуайр.
Теперь исследователи планируют найти еще более крупные молекулы PAH в TMC-1. Они также надеются изучить вопрос о том, образовался ли пирен, обнаруженный в TMC-1, в холодном облаке или же он попал туда из другого места во Вселенной, возможно, в результате высокоэнергетических процессов горения, которые окружают умирающие звезды.