研究人员在遥远的星际云中发现了芘，暗示它可能是太阳系中碳元素的重要来源。这种分子也在龙宫小行星中发现，它挑战了之前关于碳化合物如何在太空中形成和存活的观念。
麻省理工学院的研究人员在类似于形成我们太阳系的星际云的遥远星际云中发现了一种复杂的碳分子芘。
这一发现是利用射电天文学探测到的，表明此类分子可能是太阳系中大量碳的来源。这与小行星龙宫样本的证据一致，可能会重塑我们对宇宙碳分布和行星形成的理解。
在遥远的星际云中发现芘
麻省理工学院领导的研究小组发现了一个遥远的星际云，其中富含芘，一种大型碳基分子，被归类为多环芳烃 (PAH)。
在与最终形成我们太阳系的尘埃和气体相似的云层中发现芘表明芘可能是我们太阳系碳的主要来源。最近从近地小行星龙宫收集的样本中发现大量芘，进一步支持了这一想法。
「恒星和行星形成过程中的一个大问题是：早期分子云中的化学物质有多少被继承下来并形成了太阳系的基本成分？我们看到的是开始和结束，它们显示出了相同的结果。这有力地证明了早期分子云中的物质进入了构成我们太阳系的冰、尘埃和岩石体。」麻省理工学院化学助理教授 Brett McGuire 说。
研究结果表明，芘可能是太阳系中大部分碳元素的来源。「这是一个几乎令人难以置信的碳汇，」布雷特·麦奎尔（右）与这项研究的主要作者加比·温泽尔站在一起说道。图片来源：布莱斯·维克马克
由于其对称性，芘本身对于用于探测太空中约 95% 分子的射电天文学技术来说是不可见的。相反，研究人员检测到了氰基芘的异构体，这种芘与氰化物发生反应，破坏了其对称性。该分子是在一团名为 TMC-1 的遥远云层中探测到的，探测使用的是位于西弗吉尼亚州格林班克天文台的 100 米口径格林班克望远镜 (GBT)。
McGuire 和英属哥伦比亚大学化学助理教授 Ilsa Cooke 是该研究论文的资深作者，该论文于 10 月 24 日发表在【 科学】 杂志上。McGuire 团队的麻省理工学院博士后 Gabi Wenzel 是这项研究的主要作者。
检测空间分子的技术和挑战
多环芳烃含有碳原子环，据信储存了太空中 10% 至 25% 的碳。40 多年前，科学家开始使用红外望远镜探测被认为属于太空中多环芳烃振动模式的特征，但这种技术无法准确揭示出太空中存在哪些类型的多环芳烃。
「自从 20 世纪 80 年代提出 PAH 假说以来，许多人都接受了 PAH 存在于太空中的观点，并且在陨石、彗星和小行星样本中也发现了 PAH，但我们无法真正使用红外光谱法来明确地识别太空中的单个 PAH。」Wenzel 说。
「恒星和行星形成过程中的一个大问题是：早期分子云中的化学物质库存有多少被继承下来并形成了太阳系的基本成分？我们看到的是开始和结束，它们显示出了相同的结果。」麦奎尔说。图片来源：Bryce Vickmark
2018 年，麦奎尔领导的团队报告称在 TMC-1 中发现了苯甲腈（一种与腈（碳氮）基团相连的六碳环）。为了实现这一发现，他们使用了 GBT，它可以通过分子的旋转光谱（分子在太空中翻滚时发出的独特光图案）来检测太空中的分子。2021 年，他的团队在太空中检测到了第一批单独的多环芳烃：氰基萘的两种异构体，氰基萘由两个融合在一起的环组成，其中一个环上连接着一个腈基。
在地球上，多环芳烃通常是燃烧化石燃料的副产品，它们也存在于烧烤食品的焦痕中。他们在 TMC-1 中发现的多环芳烃温度仅为 10 开尔文左右，这表明它们也可能在极低的温度下形成。
芘的存在和潜力
由于在陨石、小行星和彗星中也发现了多环芳烃，许多科学家推测多环芳烃是形成我们太阳系的大部分碳的来源。2023 年，日本的研究人员在隼鸟 2 号任务期间从小行星龙宫带回的样本中发现了大量芘，以及包括萘在内的较小多环芳烃。
这一发现促使麦奎尔和他的同事在 TMC-1 中寻找芘。芘含有四个环，比在太空中检测到的任何其他多环芳烃都要大。事实上，它是在太空中发现的第三大分子，也是有史以来利用射电天文学发现的最大分子。
在太空中寻找这些分子之前，研究人员首先必须在实验室中合成氰基芘。氰基或腈基是分子发出射电望远镜可以探测到的信号所必需的。该合成由麻省理工学院博士后张硕在麻省理工学院化学副教授艾莉森·温德兰特的小组中完成。
随后，研究人员分析了这些分子在实验室中发出的信号，发现它们与在太空中发出的信号完全相同。
研究人员利用 GBT 在 TMC-1 中发现了这些特征。他们还发现，氰基芘约占云中所有碳的 0.1%，这个数字听起来很小，但考虑到太空中存在成千上万种不同类型的含碳分子，这一数字就显得意义重大，McGuire 说道。
「虽然 0.1% 听起来并不是一个很大的数字，但大多数碳都被困在一氧化碳 (CO) 中，这是宇宙中除了氢分子之外第二丰富的分子。如果我们将 CO 放在一边，那么每几百个剩余的碳原子中就有一个在芘中。想象一下那里有成千上万种不同的分子，几乎所有分子中都有许多不同的碳原子，而每几百个分子中就有一个在芘中，」他说：「这绝对是一个巨大的丰度。几乎令人难以置信的碳汇。这是一个星际稳定岛。」
荷兰莱顿天文台分子天体物理学教授埃文·范·迪肖克称这一发现「出乎意料，令人兴奋」。
「这项研究建立在他们早期发现的较小芳香分子的基础上，但现在对芘家族的研究取得了巨大进展。它不仅证明了很大一部分碳被锁定在这些分子中，而且还指出了芳香烃的形成途径与迄今为止考虑的不同。」未参与这项研究的范迪绍克说。
未来研究和天体化学影响
随着尘埃和气体团块聚结成更大的天体并开始升温，像 TMC-1 这样的星际云最终可能会形成恒星。行星、小行星和彗星都是由年轻恒星周围的一些气体和尘埃产生的。科学家无法追溯形成我们太阳系的星际云，但在 TMC-1 中发现芘，以及在小行星龙宫中发现大量芘，表明芘可能是我们太阳系中大部分碳的来源。
McGuire 说：「我敢说，我们现在有了迄今为止最有力的证据，证明这种分子从冷云一直直接传承到太阳系中的实际岩石。」
研究人员现在计划在 TMC-1 中寻找更大的多环芳烃分子。他们还希望调查 TMC-1 中发现的芘是在冷云中形成的，还是来自宇宙其他地方，可能是来自垂死恒星周围的高能燃烧过程。
该项研究的部分资金来自贝克曼基金会青年研究员奖、施密特家庭未来基金会、美国国家科学基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会、戈达德天体生物学中心以及美国宇航局行星科学部内部科学家资助计划。
参考文献：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 和 Brett A. McGuire 撰写的「星际 1-氰基芘的探测：一种四环多环芳烃」，2024 年 10 月 24 日，【科学】。DOI：10.1126/science.adq6391
作者： Anne Trafton，麻省理工学院
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