太空中发现的复杂的碳基分子-“天化学的重大飞跃”

在GOTHAM的科学家的一系列9篇论文中，他们是TMC-1的格林银行望远镜观测：Hunting Aromatic Molescules（狩猎芳香分子）项目描述了在Taurus分子云或TMC-1中检测到十几种多环芳烃。这些复杂的分子从未在星际介质中被发现过，它们使科学家们能够更好地了解恒星，行星和空间中其他物体的形成。在这位画家的构想中，一些检测到的分子从左到右包括：1-氰基萘，1-氰基-环戊二烯，HC11N，2-氰基萘，乙烯基氰基乙炔，2-氰基-环戊二烯，苄腈，反式（E）-氰基乙烯基乙炔，HC4NC和炔丙基氰化物等。

据信太空中的许​​多碳都以称为多环芳烃（PAHs）的大分子形式存在。自1980年代以来，间接证据表明这些分子在空间上很丰富，但尚未直接观察到。

现在，由麻省理工学院助理教授布雷特·麦奎尔（Brett McGuire）领导的一组研究人员在一个称为金牛座分子云（TMC-1）的空间中发现了两个独特的多环芳烃。人们认为，多环芳烃仅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物而存在，而且还存在于烧烤食品的焦炭中。但是研究小组观察到的星际云尚未开始形成恒星，而且温度比绝对零值高出约10度。

研究人员说，这一发现表明这些分子可以在比预期的温度低得多的温度下形成，这可能导致科学家重新考虑他们对PAH化学在恒星和行星形成中的作用的假设。

研究人员使用西弗吉尼亚州的绿色银行望远镜在太空中找到了两个称为多环芳烃的含碳分子的特征。

“使得检测如此重要的原因在于，不仅我们已经确认了已经进行了30年的假设，而且现在我们可以查看这一来源中的所有其他分子，并询问它们如何反应形成PAHs。我们看到的是，我们看到的PAH可能如何与其他物质发生反应而形成更大的分子，以及对于我们理解非常大的碳分子在形成行星和恒星中的作用可能产生什么影响，” McGuire说，他是这项新研究的资深作者。

哈佛-史密森天体物理学中心副主任迈克尔•麦卡锡（Michael McCarthy）是该研究的另一位资深作者，该研究今天发表在《科学》杂志上。该研究小组还包括来自其他几个机构的科学家，包括弗吉尼亚大学，美国国家射电天文台和美国宇航局的戈达德太空飞行中心。

独特的信号

从1980年代开始，天文学家就使用望远镜检测表明存在芳香族分子的红外信号，芳香族分子通常包括一个或多个碳环。据信，在多环芳烃中发现了大约10％至25％的碳，其中多环芳烃至少含有两个碳环，但红外信号的分辨力不足以识别特定分子。

“这意味着我们无法深入研究它们的形成方式，它们如何与彼此或其他分子发生反应，如何被破坏以及在形成恒星和行星的整个过程中碳的整个循环的详细化学机理。甚至生命。” McGuire说。

研究人员在一个称为金牛座分子云（TMC-1）的空间区域中发现了多环芳烃，该区域不包含恒星。

尽管自1960年代以来，射电天文学一直是太空分子发现的主力军，但强大到足以探测这些大分子的射电望远镜才出现了十多年。这些望远镜可以拾取分子的旋转光谱，这是分子在空间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从地球实验室中的相同分子所观察到的模式进行匹配。

“一旦有了模式匹配，您就会知道不存在其他任何可能散发出确切光谱的分子。而且，线条的强度和图案的不同部分的相对强度可以告诉您有关分子的数量以及分子的温度是多少的信息。” McGuire说。

McGuire和他的同事已经研究TMC-1了几年，因为以前的观察表明它富含复杂的碳分子。几年前，研究小组的一位成员观察到暗示说，云中含有苄腈，这是一个与腈基（碳氮基）相连的六碳环。

然后，研究人员使用了世界上最大的可操纵射电望远镜格林银行望远镜来确认存在苄腈。在他们的数据中，他们还发现了另外两个分子的特征-本研究中报道的PAHs。这些分子称为1-氰基萘和2-氰基萘，由两个稠合在一起的苯环组成，一个环上连接有一个腈基。

检测这些分子是天化学中的重大飞跃。我们开始将已知存在于太空中的小分子（如苄腈）之间的点与对天体物理学非常重要的整体式PAH连接起来，麻省理工学院的博士后Kelvin Lee说，他是该论文的作者之一学习。

在冷的，没有恒星的TMC-1中发现这些分子表明，PAH不仅是垂死恒星的副产物，而且可能由较小的分子组装而成。

麦克奎尔说：“在我们发现它们的地方，没有星星，因此它们是在原地建立的，或者它们是一颗死星的残余物。”“我们认为这可能是两者的结合-证据表明，这既不是一条途径，也不是另一条途径。这是新的和有趣的，因为以前没有真正的观察证据可以证明这种自下而上的途径。”

碳化学

碳在行星的形成过程中起着至关重要的作用，因此有关PAHs甚至存在于无星，寒冷的太空区域的建议也可能促使科学家们重新思考其理论，以了解行星形成过程中可利用的化学物质。当PAH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：“我们需要从这些无恒星核开始，重新思考化学演化模型，以包括它们正在形成这些大的芳族分子这一事实。”

麦克奎尔和他的同事们现在计划进一步研究这些多环芳烃的形成方式，以及它们在太空中可能发生的何种反应。他们还计划继续使用功能强大的Green Bank望远镜扫描TMC-1。一旦他们从星际云中获得了这些观测结果，研究人员便可以通过将两个分子放入反应堆中并用千伏特的电压爆炸，分解成碎片并将其放进去，从而尝试将他们发现的信号与他们在地球上产生的数据进行匹配。重组。这可能导致数百种不同的分子，其中许多是地球上从未见过的。

麦克奎尔说：“我们需要继续观察星际源中存在什么分子，因为我们对库存越了解，就越可以开始尝试连接该反应网的各个部分。”

阅读《 GOTHAM研究人员》，了解有关太空中从未见过的复杂分子的全部资料，以获取更多有关此发现的信息。

参考：Brett A. McGuire，Ryan A. Loomis，Andrew M. Burkhardt，Kin Long Kelvin Lee，Christopher N. Shingledecker，Steven B. Charnley，Ilsa R. Cooke，Martin撰写的“通过光谱匹配滤波检测两个星际多环芳烃”科迪纳，埃里克·赫斯特（Eric Herbst），谢尔盖·卡伦斯基（Sergei Kalenskii），马克·西伯特（Mark A.
10.1126 / science.abb7535

该研究由美国国家航空航天局，史密森学会，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研究与创新计划”资助。