Odkrycie pochodnych pirenu w odległym obłoku międzygwiazdowym może pomóc w ujawnieniu, w jaki sposób uformował się nasz Układ Słoneczny.
Zespół kierowany przez naukowców z MIT odkrył, że odległy obłok międzygwiazdowy zawiera dużą ilość pirenu, rodzaju dużej cząsteczki zawierającej węgiel, znanej jako wielopierścieniowy węglowodór aromatyczny (PAH).
Odkrycie pirenu w tym odległym obłoku, który jest podobny do zbioru pyłu i gazu, który ostatecznie stał się naszym własnym Układem Słonecznym, sugeruje, że piren mógł być źródłem większości węgla w Układzie Słonecznym. Hipotezę tę potwierdza również niedawne odkrycie, że próbki pobrane z bliskiej Ziemi planetoidy Ryugu zawierają duże ilości pirenu.
Jedno z najważniejszych pytań dotyczących formowania się gwiazd i planet brzmi: jaka część składu chemicznego z wczesnego obłoku molekularnego została odziedziczona i tworzy podstawowe składniki Układu Słonecznego? To, na co patrzymy, to początek i koniec, które pokazują to samo. To dość mocny dowód na to, że materia z wczesnego obłoku molekularnego trafiła do lodu, pyłu i ciał skalistych, które tworzą nasz Układ Słoneczny – powiedział Brett McGuire, adiunkt chemii w MIT.
Ze względu na swoją symetrię, sam piren jest niewidoczny dla technik radioastronomicznych, które zostały wykorzystane do wykrycia około 95% cząsteczek w kosmosie. Zamiast tego naukowcy wykryli izomery cyjanopirenu, wersję pirenu, która zareagowała z cyjankiem, aby złamać jego symetrię. Cząsteczka ta została wykryta w odległym Obłoku Molekularnym w Byku znanym jako TMC-1, przy użyciu 100-metrowego Green Bank Telescope (GBT), radioteleskopu w Green Bank Observatory w Zachodniej Wirginii.
McGuire i Ilsa Cooke, adiunkt chemii na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej, są starszymi autorami artykułu opisującego odkrycia, który ukazał się 24 października 2024 roku w Science. Gabi Wnezel z MIT w grupie McGuire’a, jest główną autorką pracy.
Węgiel w kosmosie
Uważa się, że PAH, które zawierają pierścienie atomów węgla połączonych ze sobą przechowują od 10 do 25% węgla istniejącego w przestrzeni kosmicznej. Ponad 40 lat temu naukowcy korzystający z teleskopów na podczerwień zaczęli wykrywać cechy, które uważa się za należące do trybów wibracyjnych PAH w przestrzeni kosmicznej, ale ta technika nie mogła ujawnić dokładnie, jakie rodzaje PAH tam są.
Odkąd hipoteza PAH została opracowana w latach 80. XX wieku wiele osób zaakceptowało fakt, że PAH są w kosmosie i zostały znalezione w meteorytach, kometach i próbkach planetoid, ale tak naprawdę nie możemy użyć spektroskopii w podczerwieni do jednoznacznej identyfikacji poszczególnych PAH w kosmosie – powiedziała Wenzel.
W 2018 roku zespół kierowany przez McGuire’a doniósł o odkryciu benzonitrylu – sześciowęglowego pierścienia połączonego z grupą nitrylową (węgiel-azot) – w TMC-1. Aby dokonać tego odkrycia, wykorzystali GBT, który może wykrywać cząsteczki w kosmosie na podstawie ich widm rotacyjnych – charakterystycznych wzorów światła, które cząsteczki wydzielają, gdy poruszają się w przestrzeni. W 2021 roku jego zespół wykrył pierwsze pojedyncze PAH w kosmosie: dwa izomery cyjanoflatenu, który składa się z dwóch połączonych ze sobą pierścieni, z grupą nitrylową przyłączoną do jednego pierścienia.
Na Ziemi PAH powszechnie występują jako produkty uboczne spalania paliw kopalnych, a także można je znaleźć w śladach zwęglenia na grillowanym jedzeniu. Ich odkrycie w TMC-1, który ma temperaturę tylko około 10 kelwinów, sugeruje, że mogą one również tworzyć się w bardzo niskich temperaturach.
Fakt, że PAH znaleziono również w meteorytach, planetoidach i kometach, doprowadziło wielu naukowców do postawienia hipotezy, że PAH są źródłem większości węgla, który uformował nasz własny Układ Słoneczny. W 2023 roku naukowcy z Japonii znaleźli duże ilości pirenu w próbkach zdobytych z planetoidy Ryugu podczas misji Hayabusa 2, wraz z mniejszymi PAH, w tym naftalenem.
To odkrycie zmotywowało McGuire’a i jego kolegów do poszukiwania pirenu w TMC-1. Piren który zawiera cztery pierścienie, jest większy niż jakikolwiek inny PAH, który został wykryty w kosmosie. W rzeczywistości jest to trzecia co do wielkości cząsteczka zidentyfikowana w kosmosie i największa, jaką kiedykolwiek wykryto za pomocą radioastronomii.
Przed poszukiwaniem tych cząsteczek w kosmosie naukowcy musieli najpierw zsyntetyzować cyjanoopiren w laboratorium. Grupa cyjanowa lub nitrylowa jest niezbędna, aby cząsteczka emitowała sygnał, który może wykryć radioteleskop. Synteza została przeprowadzona przez docenta MIT Shuo Zhanga w grupie Alison Wendlandt, profesor chemii MIT.
Następnie naukowcy przeanalizowali sygnały emitowane przez cząsteczki w laboratorium, które są dokładnie takie same jak sygnały emitowane przez nie w przestrzeni kosmicznej.
Korzystając z GBT, naukowcy znaleźli te sygnatury w całym TMC-1. Stwierdzili również, że cyjanopiren stanowi około 0,1% całego węgla znalezionego w obłoku, co wydaje się mało, ale jest znaczące, jeżeli weźmie się pod uwagę tysiące różnych rodzajów cząsteczek zawierających węgiel, które istnieją w kosmosie, powiedział McGuire.
Chociaż 0,1% nie brzmi jak duża liczba, większość węgla jest uwięziona w tlenku węgla (CO), drugiej najliczniejszej cząsteczce we Wszechświecie oprócz wodoru molekularnego. Jeżeli odłożymy CO na bok, jeden na kilkaset pozostałych atomów węgla znajduje się w pirenie. Wyobraź sobie tysiąc różnych cząsteczek, które tam są, prawie wszystkie z wieloma różnymi atomami węgla w nich, a jeden na kilkaset jest w pirenie – dodał. To absolutnie ogromna obfitość. Niemal niewiarygodny pochłaniacz węgla. To międzygwiazdowa wyspa stabilności.
Ewine van Dishoeck, profesor astrofizyki molekularnej w Leiden Observatory w Holandii, nazwała odkrycie „nieoczekiwanym i ekscytującym.”
Opiera się to na ich wcześniejszych odkryciach dotyczących mniejszych cząsteczek aromatycznych, ale przeskok do rodziny pirenów jest ogromny. Nie tylko pokazuje, że znaczna część węgla jest zamknięta w tych cząsteczkach, ale także wskazuje na inne drogi powstawania związków aromatycznych niż te, które były brane pod uwagę do tej pory – powiedziała van Dishoeck, która nie była zaangażowana w badania.
Obfitość pirenu
Obłoki międzygwiazdowe, takie jak TMC-1, mogą ostatecznie dać początek gwiazdom, ponieważ grudki pyłu i gazu łączą się w większe ciała i zaczynają się nagrzewać. Planety, planetoidy i komety powstają z gazu i pyłu otaczającego młode gwiazdy. Naukowcy nie mogą spojrzeć w przeszłość na obłok międzygwiazdowy, który dał początek naszemu Układowi Słonecznemu, ale odkrycie pirenu w TMC-1, wraz z obecnością dużych ilości pirenu w planetoidzie Ryugu, sugeruje, że piren mógł być źródłem dużej ilości węgla w naszym Układzie Słonecznym.
Mamy teraz, zaryzykowałbym stwierdzenie, najsilniejszy dowód na bezpośrednie dziedziczenie molekularne od zimnego obłoku aż do rzeczywistych skał w Układzie Słonecznym – powiedział McGuire.
Naukowcy planują teraz poszukać jeszcze większych cząsteczek PAH w TMC-1. Mają również nadzieję zbadać kwestię, czy piren znaleziony w TMC-1 powstał w zimnym obłoku, czy też przybył z innego miejsca we Wszechświecie, prawdopodobnie z powodu procesów spalania o wysokiej energii, które zachodzą wokół umierających gwiazd.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT
