Космос заполнен сложными углеродными молекулами. Однако многообразие молекул и химические реакции, приводящие к их образованию, до сих пор остаются в значительной степени загадкой. Существуют намёки на сложную астрохимию Вселенной. Например, пребиотические молекулы, такие как аминокислоты и нуклеобазы, были обнаружены в метеоритах, самый известный из которых упал в 1969 году рядом с Мёрчисоном, примерно в 140 км к северу от Мельбурна.

Однако, чтобы понять молекулярный состав Вселенной, астрономы и астрохимики должны выйти за границы анализа метеоритов, которые случайно попадают на Землю. Для этого одни астрономы изучают излучение звёзд с помощью телескопов, а другие моделируют условия межзвёздного пространства в лаборатории.

Лаборатория лазерной спектроскопии химического факультета Мельбурнского университета. Источник: University of Melbourne

Из 240 молекул, которые обнаружены в космосе, большинство было обнаружено с помощью радиотелескопов. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» предназначен для наблюдения очень далёких галактик и излучения химических веществ в инфракрасной области спектра, что позволяет идентифицировать элементы и молекулы. Благодаря высокой чувствительности и разрешению JWST уже было проведено несколько важных наблюдений, которые помогли раскрыть природу и происхождение химической сложности во Вселенной. Среди них недавно полученные доказательства сложных органических молекул в галактике SPT0418-47, находящейся на расстоянии 12,3 миллиарда световых лет, это самые далёкие и древние когда-либо обнаруженные органические молекулы.

Эти молекулы представляют собой полиароматические углеводороды (ПАУ), состоящие из двух или более сплавленных ароматических колец углерода, которые встречаются на Земле: в живых организмах, ископаемом топливе и участвуют в химических процессах, связанных с происхождением жизни.

Ещё одно ключевое открытие — наблюдение за метильным катионом (CH3+) в диске молодой звезды. Эта область подвержена интенсивному ультрафиолетовому излучению от горячей молодой звезды, что обеспечивает энергию для образования CH3+, имеющего молекулярную структуру, эквивалентную метану за вычетом одного атома водорода, и он играет важную роль в формировании более сложных углеродных молекул.

Эти и другие компоненты сложной химии выбрасываются молодыми звёздами и синтезируются в процессе вспышек сверхновых и других космических событий.

Астрономы изучают молекулы в межзвёздной среде, анализируя свет, излучаемый звёздами. Так как свет проходит огромное расстояние, прежде чем достигнуть детекторов на Земле, он имеет значительную вероятность поглощения молекулами в межзвёздных облаках. Длины волн света, которые поглощаются, образуют спектр, содержащий «отпечатки» молекул. Более 500 линий поглощения были найдены в видимой и ближней инфракрасной области спектра, их называют межзвёздными молекулярными полосами (DIB).

Хотя теперь известно, что DIB возникают из-за присутствия молекул в межзвёздной среде, структура и состав этих молекул остаются загадкой. Только одна молекула была идентифицирована как источник особых признаков в спектрах DIB — это карбоновый кластер фуллерен (C60+), который имеет форму маленького футбольного мяча. Так как C60+ — единственный подтверждённый источник DIB, резонно ожидать, что другие DIB могут быть связаны с большими карбоновыми кластерами размером от 10 до 100 атомов.

Карбоновые кластеры имеют разнообразный спектр размеров и форм молекулы, и это довольно сильно усложняет их обнаружение. В лаборатории лазерной спектроскопии под руководством доктора химии Сэмюэля Марльтона аспирант Чанг Лю и профессор Эван Биске использовали собственноручно созданный аппарат для наблюдения, отделения и изоляции отдельных структур карбоновых кластеров в условиях, подобных холодному вакууму космоса. 

Команда сравнила астрофизические данные с лабораторными и рассмотрела поглощение спектров углеродных колец, содержащих от 14 до 36 атомов. Так они обнаружили доказательства существования 14-атомного кольца углерода, которое может способствовать образованию DIB.

Изучение межзвёздных молекул имеет большую важность, так как это помогает понять процессы и условия, приводящие к возникновению жизни во Вселенной. Расшифровка состава и химической сложности DIB может дать ключевые подсказки о том, как формируются слодные молекулы и как они распространяются в космосе. Это может расширить знания о происхождении жизни на Земле и помочь в поисках жизни на других планетах.