MIT badacze odkryli piren, złożoną cząsteczkę węgla, w odległym obłoku międzygwiazdowym podobnym do tego, z którego powstał nasz Układ Słoneczny.
Odkrycie to, wykryte za pomocą radioastronomii, sugeruje, że takie cząsteczki mogą być źródłem znacznych ilości węgla w Układzie Słonecznym. Jest to zgodne z dowodami pobranymi z próbek asteroidy Ryugu i może zmienić nasze rozumienie rozkładu kosmicznego węgla i powstawania planet.
Odkrycie Pirenu w odległym obłoku międzygwiazdowym
Zespół badawczy kierowany przez MIT odkrył odległy obłok międzygwiazdowy bogaty w piren, dużą cząsteczkę na bazie węgla, sklasyfikowaną jako wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA).
Odkrycie pirenu w chmurze podobnej do pyłu i gazu, które ostatecznie utworzyły nasz Układ Słoneczny, sugeruje, że piren może być głównym źródłem węgla w naszym Układzie Słonecznym. Pomysł ten dodatkowo potwierdzają niedawne odkrycia znacznych ilości pirenu w próbkach pobranych z bliskiej Ziemi asteroidy Ryugu.
„Jedno z najważniejszych pytań w procesie powstawania gwiazd i planet brzmi: jaka część składu chemicznego wczesnego obłoku molekularnego jest dziedziczona i tworzy podstawowe składniki Układu Słonecznego? Patrzymy na początek i koniec, a oni pokazują to samo. To całkiem mocny dowód na to, że materia z wczesnego obłoku molekularnego przedostaje się do lodu, pyłu i ciał skalistych tworzących nasz Układ Słoneczny” – mówi Brett McGuire, adiunkt chemii w MIT.
Ze względu na swoją symetrię sam piren jest niewidoczny dla technik radioastronomicznych, które wykorzystano do wykrycia około 95 procent cząsteczek w kosmosie. Zamiast tego badacze wykryli izomer cyjanopirenu – odmiany pirenu, która zareagowała z cyjankiem, naruszając swoją symetrię. Cząsteczkę wykryto w odległym obłoku znanym jako TMC-1 za pomocą 100-metrowego teleskopu Green Bank Telescope (GBT), radioteleskopu w Obserwatorium Green Bank w Wirginii Zachodniej.
McGuire i Ilsa Cooke, adiunkt chemii na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej, są głównymi autorami artykułu opisującego odkrycia, który został opublikowany 24 października w czasopiśmie w Nauka. Gabi Wenzel, postdoc z MIT w grupie McGuire’a, jest główną autorką badania.
Techniki i wyzwania w wykrywaniu cząsteczek kosmicznych
Uważa się, że WWA, które zawierają pierścienie skondensowanych ze sobą atomów węgla, magazynują od 10 do 25 procent węgla występującego w przestrzeni kosmicznej. Ponad 40 lat temu naukowcy korzystający z teleskopów na podczerwień zaczęli wykrywać cechy, które uważa się za należące do modów wibracyjnych WWA w przestrzeni, ale technika ta nie była w stanie dokładnie ujawnić, jakie rodzaje WWA tam występują.
„Od czasu opracowania hipotezy WWA w latach 80. XX wieku wiele osób zaakceptowało fakt, że WWA znajdują się w przestrzeni kosmicznej i znajdowano je w meteorytach, kometach i próbkach asteroid, ale tak naprawdę nie możemy użyć spektroskopii w podczerwieni do jednoznacznej identyfikacji poszczególnych WWA w przestrzeni” – mówi Wenzel.
W 2018 roku zespół kierowany przez McGuire’a poinformował o odkryciu benzonitrylu – sześciowęglowego pierścienia przyłączonego do grupy nitrylowej (węgiel-azot) – w TMC-1. Aby dokonać tego odkrycia, wykorzystali GBT, który może wykrywać cząsteczki w przestrzeni na podstawie ich widm rotacyjnych — charakterystycznych wzorów światła emitowanych przez cząsteczki, gdy przelatują przez przestrzeń. W 2021 roku jego zespół wykrył w kosmosie pierwsze pojedyncze WWA: dwa izomery cyjanonaftalenu, który składa się z dwóch skondensowanych ze sobą pierścieni, z grupą nitrylową przyłączoną do jednego pierścienia.
Na Ziemi WWA powszechnie występują jako produkty uboczne spalania paliw kopalnych, można je również znaleźć w śladach zwęglenia na grillowanej żywności. Ich odkrycie w TMC-1, które ma temperaturę zaledwie około 10 kelwinów, sugeruje, że możliwe jest ich tworzenie również w bardzo niskich temperaturach.
Obecność i potencjał Pirenu
Fakt, że WWA odkryto także w meteorytach, asteroidach i kometach, skłonił wielu naukowców do postawienia hipotezy, że WWA są źródłem dużej części węgla, który utworzył nasz Układ Słoneczny. W 2023 roku badacze w Japonii odkryli duże ilości pirenu w próbkach pobranych z asteroidy Ryugu podczas misji Hayabusa2, a także mniejsze WWA, w tym naftalen.
To odkrycie zmotywowało McGuire’a i jego współpracowników do poszukiwania pirenu w TMC-1. Piren, który zawiera cztery pierścienie, jest większy niż którykolwiek z pozostałych WWA wykrytych w kosmosie. W rzeczywistości jest to trzecia co do wielkości cząsteczka zidentyfikowana w przestrzeni kosmicznej i największa, jaką kiedykolwiek wykryto za pomocą radioastronomii.
Przed rozpoczęciem poszukiwania tych cząsteczek w kosmosie naukowcy musieli najpierw zsyntetyzować cyjanopiren w laboratorium. Grupa cyjanowa lub nitrylowa jest niezbędna, aby cząsteczka emitowała sygnał wykrywalny przez radioteleskop. Syntezę przeprowadził postdoc Shuo Zhang z MIT w grupie Alison Wendlandt, profesor chemii MIT.
Następnie naukowcy przeanalizowali sygnały emitowane przez cząsteczki w laboratorium, które są dokładnie takie same, jak sygnały emitowane w przestrzeni kosmicznej.
Korzystając z GBT, badacze znaleźli te podpisy w całym TMC-1. Odkryli również, że cyjanopiren stanowi około 0,1 procent całego węgla znajdującego się w chmurze, co wydaje się niewielkie, ale ma znaczenie, gdy weźmie się pod uwagę tysiące różnych typów cząsteczek zawierających węgiel, które istnieją w przestrzeni kosmicznej – mówi McGuire.
„Chociaż 0,1 procent nie wydaje się dużą liczbą, większość węgla jest uwięziona w tlenku węgla (CO), drugiej po cząsteczkowym wodorze cząsteczce we wszechświecie. Jeśli odłożymy CO na bok, jeden na kilkaset pozostałych atomów węgla znajduje się w pirenie. Wyobraź sobie, że istnieją tysiące różnych cząsteczek, prawie wszystkie z wieloma różnymi atomami węgla, a jedna na kilkaset znajduje się w pirenie” – mówi. „To absolutnie ogromna obfitość. Prawie niewiarygodny pochłaniacz węgla. To międzygwiezdna wyspa stabilności.”
Ewine van Dishoeck, profesor astrofizyki molekularnej w Obserwatorium w Leiden w Holandii, nazwała odkrycie „nieoczekiwanym i ekscytującym”.
„Opiera się na wcześniejszych odkryciach mniejszych cząsteczek aromatycznych, ale dokonanie teraz skoku do rodziny pirenów jest ogromnym wyzwaniem. Nie tylko pokazuje, że znaczna część węgla jest zamknięta w tych cząsteczkach, ale także wskazuje na inne drogi powstawania związków aromatycznych niż dotychczas rozważano” – mówi van Dishoeck, który nie był zaangażowany w badania.
Przyszłe badania i implikacje astrochemiczne
Obłoki międzygwiazdowe, takie jak TMC-1, mogą ostatecznie dać początek gwiazdom, gdy grudki pyłu i gazu łączą się w większe ciała i zaczynają się nagrzewać. Planety, asteroidy i komety powstają z części gazu i pyłu otaczającego młode gwiazdy. Naukowcy nie mogą cofnąć się w czasie na obłok międzygwiazdowy, który dał początek naszemu Układowi Słonecznemu, ale odkrycie pirenu w TMC-1 wraz z obecnością dużych ilości pirenu w asteroidzie Ryugu sugeruje, że piren mógł mieć były źródłem znacznej części węgla w naszym Układzie Słonecznym.
„Mamy teraz, zaryzykowałbym stwierdzenie, najmocniejszy w historii dowód na bezpośrednie dziedziczenie molekularne od zimnej chmury aż do samych skał w Układzie Słonecznym” – mówi McGuire.
Naukowcy planują teraz szukać jeszcze większych cząsteczek WWA w TMC-1. Mają także nadzieję zbadać, czy piren znaleziony w TMC-1 powstał w zimnym obłoku, czy też przybył z innego miejsca we wszechświecie, prawdopodobnie w wyniku wysokoenergetycznych procesów spalania zachodzących wokół umierających gwiazd.
Odniesienie: „Detection of interstellar 1-cyanopyrene: A Four-ring policykliczny aromatyczny węglowodór” Gabi Wenzel, Ilsa R. Cooke, P. Bryan Changala, Edwin A. Bergin, Shuo Zhang, Andrew M. Burkhardt, Alex N. Byrne, Steven B. Charnley, Martin A. Cordiner, Miya Duffy, Zachary TP Fried, Harshal Gupta, Martin S. Holdren, Andrew Lipnicky, Ryan A. Loomis, Hannah Toru Shay, Christopher N. Shingledecker, Mark A. Siebert, D. Archie Stewart, Reace HJ Willis, Ci Xue, Anthony J. Remijan, Alison E. Wendlandt, Michael C. McCarthy i Brett A. McGuire, 24 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adq6391
Badania zostały częściowo sfinansowane przez nagrodę Beckman Foundation Young Investigator Award, Schmidt Family Futures Foundation, amerykańską Narodową Fundację Nauki, Kanadyjską Radę ds. Nauk Przyrodniczych i Inżynierii, Goddard Center for Astrobiology oraz NASA Wewnętrzny program finansowania naukowców Wydziału Planetary Science.
