|
Как сформировалась наша Солнечная система
|
|
|
|
Команда исследователей из Массачусетского технологического института обнаружила, что далекое межзвездное облако содержит большое количество пирена - типа крупной углеродсодержащей молекулы, известной как полициклический ароматический углеводород (ПАУ).
|
|
|
|
Обнаружение пирена в этом далеком облаке, которое похоже на скопление пыли и газа, которые в конечном итоге превратились в нашу собственную солнечную систему, позволяет предположить, что пирен, возможно, был источником большей части углерода в нашей солнечной системе. Эта гипотеза также подтверждается недавним открытием, что образцы, возвращенные с околоземного астероида Рюгу, содержат большое количество пирена.
|
|
|
|
"Один из главных вопросов, связанных с формированием звезд и планет, заключается в следующем: какая часть химического состава этого раннего молекулярного облака унаследована и образует базовые компоненты Солнечной системы? То, на что мы смотрим, - это начало и конец, и они показывают одно и то же. Это довольно убедительное доказательство того, что этот материал из раннего молекулярного облака попадает 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 сам пирен невидим для радиоастрономических методов, которые использовались для обнаружения около 95% молекул в космосе. Вместо этого исследователи обнаружили изомер цианопирена, разновидность пирена, которая вступила в реакцию с цианидом, нарушив его симметрию. Молекула была обнаружена в отдаленном облаке, известном как TMC-1, с помощью 100-метрового телескопа Грин-Бэнк (GBT), радиотелескопа в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии.
|
|
|
|
|
|
|
Макгуайр и Илза Кук, доцент кафедры химии Университета Британской Колумбии, являются ведущими авторами статьи, описывающей результаты исследования в журнале Science. Габи Венцель, постдок Массачусетского технологического института в группе Макгуайра, является ведущим автором исследования.
|
|
Углерод в космосе
|
|
|
|
Считается, что ПАУ, которые содержат кольца из атомов углерода, сплавленных вместе, содержат от 10 до 25% углерода, который существует в космосе. Более 40 лет назад ученые, использующие инфракрасные телескопы, начали обнаруживать особенности, которые, как считается, относятся к колебательным модам ПАУ в космосе, но этот метод не смог точно определить, какие типы ПАУ присутствуют в космосе.
|
|
|
|
"С тех пор как в 1980-х годах была разработана гипотеза ПАУ, многие люди признали, что ПАУ находятся в космосе, и они были обнаружены 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 бензонитрила — шестиуглеродного кольца, присоединенного к нитрильной (углерод-азотной) группе - в TMC—1. Чтобы сделать это открытие, они использовали GBT, который может обнаруживать молекулы в пространстве по их вращательным спектрам — характерным паттернам света, которые молекулы испускают, когда они летят в пространстве. В 2021 году его команда обнаружила первые отдельные ПАУ в космосе: два изомера цианонафталина, который состоит из двух колец, сплавленных вместе, с нитрильной группой, присоединенной к одному кольцу.
|
|
|
|
На Земле ПАУ обычно образуются в качестве побочных продуктов сжигания ископаемого топлива, а также содержатся в обуглившихся продуктах, приготовленных на гриле. Их открытие в TMC-1, который составляет всего около 10 градусов по Кельвину, позволило предположить, что они также могут образовываться при очень низких температурах.
|
|
|
|
Тот факт, что ПАУ также были обнаружены в метеоритах, астероидах и кометах, побудил многих ученых выдвинуть гипотезу о том, что ПАУ являются источником большей части углерода, из которого сформировалась наша собственная солнечная система. В 2023 году исследователи в Японии обнаружили большое количество пирена в образцах, возвращенных с астероида Рюгу во время миссии "Хаябуса-2", а также более мелкие ПАУ, включая нафталин.
|
|
|
|
Это открытие побудило Макгуайра и его коллег искать пирен в TMC-1. Пирен, содержащий четыре кольца, по своему составу превосходит любые другие ПАУ, обнаруженные в космосе. Фактически, это третья по величине молекула, обнаруженная в космосе, и самая крупная из когда-либо обнаруженных с помощью радиоастрономии.
|
|
|
|
Прежде чем искать эти молекулы в космосе, исследователи сначала должны были синтезировать цианопирен в лаборатории. Циано- или нитрильная группа необходима для того, чтобы молекула излучала сигнал, который может обнаружить радиотелескоп. Синтез был проведен постдоком Массачусетского технологического института Шуо Чжаном в группе Элисон Вендландт, адъюнкт-профессора химии Массачусетского технологического института.
|
|
|
|
Затем исследователи проанализировали сигналы, которые молекулы излучают в лаборатории, которые в точности совпадают с сигналами, которые они излучают в космосе.
|
|
|
|
Используя GBT, исследователи обнаружили эти сигнатуры по всему TMC-1. Они также обнаружили, что на долю цианопирена приходится около 0,1% всего углерода, содержащегося в облаке, что звучит незначительно, но имеет большое значение, если учесть тысячи различных типов углеродсодержащих молекул, существующих в космосе, говорит Макгуайр.
|
|
|
|
"Хотя 0,1% не кажется таким уж большим числом, большая часть углерода содержится в монооксиде углерода (CO), второй по распространенности молекуле во Вселенной после молекулярного водорода. Если отбросить CO, то примерно один из каждых нескольких сотен оставшихся атомов углерода находится в пирене. Представьте себе тысячи различных молекул, которые существуют в природе, и почти все они содержат множество различных атомов углерода, а один из нескольких сотен содержится в пирене", - говорит он. "Это абсолютно невероятное количество. Почти невероятное поглощение углерода. Это межзвездный островок стабильности.
|
|
|
|
Эвайн ван Дишук, профессор молекулярной астрофизики в Лейденской обсерватории в Нидерландах, назвал это открытие "неожиданным и захватывающим".
|
|
|
|
"Оно основывается на их более ранних открытиях в области ароматических молекул меньшего размера, но теперь предстоит перейти к семейству пиренов. Это не только демонстрирует, что значительная часть углерода заключена в этих молекулах, но и указывает на другие пути образования ароматических соединений, которые до сих пор не рассматривались", - говорит Ван Дишук, который не принимал участия в исследовании.
|
|
Обилие пирена
|
|
|
|
Межзвездные облака, подобные TMC-1, могут в конечном итоге привести к образованию звезд, поскольку скопления пыли и газа объединяются в более крупные тела и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы образуются из газа и пыли, окружающих молодые звезды. Ученые не могут заглянуть в прошлое и увидеть межзвездное облако, которое породило нашу солнечную систему, но обнаружение пирена в TMC-1, наряду с присутствием большого количества пирена в астероиде Рюгу, позволяет предположить, что пирен, возможно, был источником большей части углерода в нашей собственной солнечной системе. солнечная система.
|
|
|
|
"Теперь у нас есть, я бы рискнул сказать, самое убедительное доказательство того, что это прямое молекулярное наследование от холодного облака дошло до настоящих горных пород в Солнечной системе", - говорит Макгуайр.
|
|
|
|
Теперь исследователи планируют поискать еще более крупные молекулы ПАУ в TMC-1. Они также надеются исследовать вопрос о том, образовался ли пирен, обнаруженный в TMC-1, внутри холодного облака или он прибыл откуда-то еще во Вселенной, возможно, в результате высокоэнергетических процессов горения, которые окружают умирающие звезды.
|
|
|
|
Источник
|
