Учёные из Массачусетского технологического института обнаружили в межзвездном облаке большое количество пирена, крупной углеродсодержащей молекулы, известной как полициклический ароматический углеводород (ПАУ).

Это открытие предполагает, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей солнечной системе. Такая гипотеза подтверждается недавним открытием большого количества пирена в образцах, доставленных с околоземного астероида Рюгу.

«Один из главных вопросов в формировании звёзд и планет: какая часть химического состава того раннего молекулярного облака унаследована и образует базовые компоненты Солнечной системы? Мы рассматриваем начало и конец, и они показывают одно и то же. Это довольно весомое доказательство того, что этот материал из раннего молекулярного облака попадает в лёд, пыль и каменистые тела, из которых состоит наша Солнечная система», — говорит Бретт Макгуайр, доцент кафедры химии Массачусетского технологического института.

Пирен был обнаружен в молекулярном облаке TMC-1 с помощью 100-метрового телескопа GBT, радиотелескопа в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии.

Молекулярное облако Тельца, в котором находится TMC-1, в верхней части изображения заметно как тёмное облако, блокирующее свет от звёзд на заднем плане.
Источник: Brett A. McGuire

ПАУ, которые содержат кольца атомов углерода, соединённых вместе, хранят от 10 до 25% углерода, который существует в космосе. Более 40 лет назад учёные, использующие инфракрасные телескопы, начали обнаруживать особенности, которые, как считается, принадлежат колебательным модам ПАУ в космосе, но эта техника не могла точно определить, какие типы ПАУ там находятся.

С тех пор как в 1980-х годах была разработана гипотеза ПАУ, многие согласились с тем, что ПАУ находятся в космосе, и их находили в метеоритах, кометах и ??образцах астероидов, но мы не можем использовать инфракрасную спектроскопию для однозначной идентификации отдельных ПАУ в космосе

Габи Венцель из Массачусетского технологического института и исследовательской группы МакГвайра, ведущий автор исследования

В 2018 году группа под руководством МакГвайра сообщила об открытии бензонитрила — шестиуглеродного кольца, присоединённого к нитрильной (углерод-азотной) группе — в TMC-1. Для этого открытия учёные использовали GBT, который способен обнаруживать молекулы в космосе по их вращательным спектрам, которые испускают молекулы. В 2021 году группа обнаружила первые отдельные ПАУ в космосе: два изомера цианонафталина, который состоит из двух слитых вместе колец с нитрильной группой, присоединённой к одному кольцу.

На Земле ПАУ обычно встречаются как побочные продукты сжигания ископаемого топлива, а также их можно обнаружить в следах угля. Их открытие в TMC-1, температура которого составляет всего около 10 кельвинов, предполагает, что они также могут образовываться при очень низких температурах.

Тот факт, что ПАУ также были обнаружены в метеоритах, астероидах и кометах, побудил многих учёных выдвинуть гипотезу о том, что ПАУ являются источником значительной части углерода, который сформировал Солнечную систему. В 2023 году исследователи в Японии обнаружили большие количества пирена в образцах с астероида Рюгу во время миссии «Хаябуса-2», наряду с более мелкими ПАУ, включая нафталин.

Это открытие побудило МакГвайра и его коллег искать пирен в TMC-1. Пирен, содержащий четыре кольца, больше, чем любой другой ПАУ, обнаруженный в космосе. Фактически, это третья по величине молекула, обнаруженная в космосе, и самая большая, когда-либо обнаруженная с помощью радиоастрономии.

Прежде чем искать эти молекулы, исследователям сначала пришлось синтезировать цианопирен в лаборатории. Циано или нитрильная группа необходима для того, чтобы молекула испускала сигнал, который может обнаружить радиотелескоп. Синтез был выполнен аспирантом MIT Шуо Чжаном в группе Элисон Вендландт, доцента химии MIT.

Источник: DALL-E

Затем исследователи проанализировали сигналы, которые молекулы излучают в лабораторных условиях, и они оказались точно такими же, как сигналы, которые они излучают в космосе.

Используя GBT, исследователи обнаружили эти признаки по всему TMC-1. Они также обнаружили, что цианопирен составляет около 0,1% всего углерода, обнаруженного в молекулярном облаке, что немного, но является значительным, если учесть тысячи различных типов углеродсодержащих молекул, которые существуют во Вселенной.

Хотя 0,1% не кажется большим числом, большая часть углерода заключена в оксиде углерода, второй по распространённости молекуле во Вселенной после молекулярного водорода. Если мы отбросим CO, то один из каждых нескольких сотен или около того оставшихся атомов углерода находится в пирене. Представьте себе тысячи различных молекул, которые существуют, почти все из них со множеством различных атомов углерода в них, и один из нескольких сотен находится в пирене. Это огромное изобилие. Почти невероятный сток углерода. Это межзвёздный остров стабильности

Бретт Макгуайр

Межзвёздные облака, такие как TMC-1, могут дать начало звёздам, поскольку сгустки пыли и газа объединяются в более крупные фрагменты и начинают нагреваться. Планеты, астероиды и кометы возникают из некоторого количества газа и пыли, которые окружают молодые звёзды. Учёные не могут оглянуться назад во времени на межзвёздное облако, которое дало начало Солнечной системе, но открытие пирена в TMC-1, наряду с наличием большого количества пирена в астероиде Рюгу, предполагает, что пирен мог быть источником большей части углерода в нашей звёздной системе.

Теперь исследователи планируют искать ещё более крупные молекулы ПАУ в TMC-1. Они также надеются изучить вопрос о том, образовался ли пирен, обнаруженный в TMC-1, в холодном облаке или же он прибыл из другого региона, — возможно, стал результатом высокоэнергетических процессов горения, которые окружают умирающие звёзды.