研究人員在遙遠的星際雲中發現了芘，暗示它可能是太陽系中碳元素的重要來源。這種分子也在龍宮小行星中發現，它挑戰了之前關於碳化合物如何在太空中形成和存活的觀念。
麻省理工學院的研究人員在類似於形成我們太陽系的星際雲的遙遠星際雲中發現了一種復雜的碳分子芘。
這一發現是利用射電天文學探測到的，表明此類分子可能是太陽系中大量碳的來源。這與小行星龍宮樣本的證據一致，可能會重塑我們對宇宙碳分布和行星形成的理解。
在遙遠的星際雲中發現芘
麻省理工學院領導的研究小組發現了一個遙遠的星際雲，其中富含芘，一種大型碳基分子，被歸類為多環芳烴 (PAH)。
在與最終形成我們太陽系的塵埃和氣體相似的雲層中發現芘表明芘可能是我們太陽系碳的主要來源。最近從近地小行星龍宮收集的樣本中發現大量芘，進一步支持了這一想法。
「恒星和行星形成過程中的一個大問題是：早期分子雲中的化學物質有多少被繼承下來並形成了太陽系的基本成分？我們看到的是開始和結束，它們顯示出了相同的結果。這有力地證明了早期分子雲中的物質進入了構成我們太陽系的冰、塵埃和巖石體。」麻省理工學院化學助理教授 Brett McGuire 說。
研究結果表明，芘可能是太陽系中大部份碳元素的來源。「這是一個幾乎令人難以置信的碳匯，」布雷特·麥奎爾（右）與這項研究的主要作者加比·溫澤爾站在一起說道。圖片來源：布萊斯·維克馬克
由於其對稱性，芘本身對於用於探測太空中約 95% 分子的射電天文學技術來說是不可見的。相反，研究人員檢測到了氰基芘的異構體，這種芘與氰化物發生反應，破壞了其對稱性。該分子是在一團名為 TMC-1 的遙遠雲層中探測到的，探測使用的是位於西維珍尼亞州格林班克天文台的 100 米口徑格林班克望遠鏡 (GBT)。
McGuire 和英屬哥倫比亞大學化學助理教授 Ilsa Cooke 是該研究論文的資深作者，該論文於 10 月 24 日發表在【 科學】 雜誌上。McGuire 團隊的麻省理工學院博士後 Gabi Wenzel 是這項研究的主要作者。
檢測空間分子的技術和挑戰
多環芳烴含有碳原子環，據信儲存了太空中 10% 至 25% 的碳。40 多年前，科學家開始使用紅外望遠鏡探測被認為屬於太空中多環芳烴振動模式的特征，但這種技術無法準確揭示出太空中存在哪些類別的多環芳烴。
「自從 20 世紀 80 年代提出 PAH 假說以來，許多人都接受了 PAH 存在於太空中的觀點，並且在隕石、彗星和小行星樣本中也發現了 PAH，但我們無法真正使用紅外光譜法來明確地辨識太空中的單個 PAH。」Wenzel 說。
「恒星和行星形成過程中的一個大問題是：早期分子雲中的化學物質庫存有多少被繼承下來並形成了太陽系的基本成分？我們看到的是開始和結束，它們顯示出了相同的結果。」麥奎爾說。圖片來源：Bryce Vickmark
2018 年，麥奎爾領導的團隊報告稱在 TMC-1 中發現了苯甲腈（一種與腈（碳氮）基團相連的六碳環）。為了實作這一發現，他們使用了 GBT，它可以透過分子的旋轉光譜（分子在太空中翻滾時發出的獨特光圖案）來檢測太空中的分子。2021 年，他的團隊在太空中檢測到了第一批單獨的多環芳烴：氰基萘的兩種異構體，氰基萘由兩個融合在一起的環組成，其中一個環上連線著一個腈基。
在地球上，多環芳烴通常是燃燒化石燃料的副產品，它們也存在於燒烤食品的焦痕中。他們在 TMC-1 中發現的多環芳烴溫度僅為 10 克耳文左右，這表明它們也可能在極低的溫度下形成。
芘的存在和潛力
由於在隕石、小行星和彗星中也發現了多環芳烴，許多科學家推測多環芳烴是形成我們太陽系的大部份碳的來源。2023 年，日本的研究人員在隼鳥 2 號任務期間從小行星龍宮帶回的樣本中發現了大量芘，以及包括萘在內的較小多環芳烴。
這一發現促使麥奎爾和他的同事在 TMC-1 中尋找芘。芘含有四個環，比在太空中檢測到的任何其他多環芳烴都要大。事實上，它是在太空中發現的第三大分子，也是有史以來利用射電天文學發現的最大分子。
在太空中尋找這些分子之前，研究人員首先必須在實驗室中合成氰基芘。氰基或腈基是分子發出射電望遠鏡可以探測到的訊號所必需的。該合成由麻省理工學院博士後張碩在麻省理工學院化學副教授艾莉森·溫德蘭特的小組中完成。
隨後，研究人員分析了這些分子在實驗室中發出的訊號，發現它們與在太空中發出的訊號完全相同。
研究人員利用 GBT 在 TMC-1 中發現了這些特征。他們還發現，氰基芘約占雲中所有碳的 0.1%，這個數碼聽起來很小，但考慮到太空中存在成千上萬種不同類別的含碳分子，這一數碼就顯得意義重大，McGuire 說道。
「雖然 0.1% 聽起來並不是一個很大的數碼，但大多數碳都被困在一氧化碳 (CO) 中，這是宇宙中除了氫分子之外第二豐富的分子。如果我們將 CO 放在一邊，那麽每幾百個剩余的碳原子中就有一個在芘中。想象一下那裏有成千上萬種不同的分子，幾乎所有分子中都有許多不同的碳原子，而每幾百個分子中就有一個在芘中，」他說：「這絕對是一個巨大的豐度。幾乎令人難以置信的碳匯。這是一個星際穩定島。」
荷蘭萊頓天文台分子天體物理學教授伊雲·範·迪肖克稱這一發現「出乎意料，令人興奮」。
「這項研究建立在他們早期發現的較小芳香分子的基礎上，但現在對芘家族的研究取得了巨大進展。它不僅證明了很大一部份碳被釘選在這些分子中，而且還指出了芳香烴的形成途徑與迄今為止考慮的不同。」未參與這項研究的範迪紹克說。
未來研究和天體化學影響
隨著塵埃和氣體團塊聚結成更大的天體並開始升溫，像 TMC-1 這樣的星際雲最終可能會形成恒星。行星、小行星和彗星都是由年輕恒星周圍的一些氣體和塵埃產生的。科學家無法追溯形成我們太陽系的星際雲，但在 TMC-1 中發現芘，以及在小行星龍宮中發現大量芘，表明芘可能是我們太陽系中大部份碳的來源。
McGuire 說：「我敢說，我們現在有了迄今為止最有力的證據，證明這種分子從冷雲一直直接傳承到太陽系中的實際巖石。」
研究人員現在計劃在 TMC-1 中尋找更大的多環芳烴分子。他們還希望調查 TMC-1 中發現的芘是在冷雲中形成的，還是來自宇宙其他地方，可能是來自垂死恒星周圍的高能燃燒過程。
該項研究的部份資金來自貝克曼基金會青年研究員獎、施密特家庭未來基金會、美國國家科學基金會、加拿大自然科學與工程研究委員會、戈達德天體生物學中心以及美國太空總署行星科學部內部科學家資助計劃。
參考文獻：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 撰寫的「星際 1-氰基芘的探測：一種四環多環芳烴」，2024 年 10 月 24 日，【科學】。DOI：10.1126/science.adq6391
作者： Anne Trafton，麻省理工學院
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