Veel van de koolstof in de ruimte wordt verondersteld te bestaan ​​in de vorm van grote moleculen die polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) worden genoemd. Sinds de jaren tachtig, indirect bewijs heeft aangetoond dat deze moleculen overvloedig aanwezig zijn in de ruimte, maar ze zijn niet direct waargenomen.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers onder leiding van MIT-assistent-professor Brett McGuire heeft twee onderscheidende PAK's geïdentificeerd in een stukje ruimte genaamd de Taurus Molecular Cloud (TMC-1). Men geloofde dat PAK's alleen efficiënt werden gevormd bij hoge temperaturen - op aarde, ze komen voor als bijproducten van de verbranding van fossiele brandstoffen, en ze zijn ook te vinden in char marks op gegrild voedsel. Maar de interstellaire wolk waar het onderzoeksteam ze heeft waargenomen, is nog niet begonnen met het vormen van sterren, en de temperatuur is ongeveer 10 graden boven het absolute nulpunt.

Deze ontdekking suggereert dat deze moleculen zich kunnen vormen bij veel lagere temperaturen dan verwacht, en het kan wetenschappers ertoe brengen hun veronderstellingen over de rol van PAK-chemie bij de vorming van sterren en planeten te heroverwegen, zeggen de onderzoekers.

"Wat de detectie zo belangrijk maakt, is dat we niet alleen een hypothese hebben bevestigd die al 30 jaar in de maak is, maar nu kunnen we naar alle andere moleculen in deze ene bron kijken en ons afvragen hoe ze reageren om de PAK's te vormen die we zien, hoe de PAK's die we zien kunnen reageren met andere dingen om mogelijk grotere moleculen te vormen, en welke implicaties dat kan hebben voor ons begrip van de rol van zeer grote koolstofmoleculen bij het vormen van planeten en sterren, " zegt McGuire, wie is een senior auteur van de nieuwe studie.

Michael McCarthy, associate director van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, is een andere senior auteur van de studie, die vandaag verschijnt in Wetenschap . Het onderzoeksteam omvat ook wetenschappers van verschillende andere instellingen, waaronder de Universiteit van Virginia, het National Radio Astronomy Observatory, en NASA's Goddard Space Flight Center.

Onderscheidende signalen

Vanaf de jaren 80, astronomen hebben telescopen gebruikt om infraroodsignalen te detecteren die de aanwezigheid van aromatische moleculen suggereerden, dat zijn moleculen die typisch een of meer koolstofringen bevatten. Ongeveer 10 tot 25 procent van de koolstof in de ruimte wordt verondersteld te worden gevonden in PAK's, die ten minste twee koolstofringen bevatten, maar de infraroodsignalen waren niet duidelijk genoeg om specifieke moleculen te identificeren.

"Dat betekent dat we niet kunnen graven in de gedetailleerde chemische mechanismen voor hoe deze worden gevormd, hoe ze met elkaar of met andere moleculen reageren, hoe ze worden vernietigd, en de hele koolstofcyclus tijdens het proces van het vormen van sterren en planeten en uiteindelijk het leven, ' zegt McGuire.

Hoewel radioastronomie sinds de jaren zestig een werkpaard is voor moleculaire ontdekkingen in de ruimte, radiotelescopen die krachtig genoeg zijn om deze grote moleculen te detecteren, bestaan ​​pas iets meer dan een decennium. Deze telescopen kunnen de rotatiespectra van moleculen oppikken, dat zijn onderscheidende lichtpatronen die moleculen afgeven als ze door de ruimte tuimelen. Onderzoekers kunnen dan proberen patronen die in de ruimte zijn waargenomen te matchen met patronen die ze hebben gezien van diezelfde moleculen in laboratoria op aarde.

"Als je eenmaal die patroonovereenkomst hebt, je weet dat er geen ander molecuul bestaat dat dat exacte spectrum zou kunnen afgeven. En, de intensiteit van de lijnen en de relatieve sterkte van de verschillende stukjes van het patroon vertellen je iets over hoeveel van het molecuul er is, en hoe warm of koud het molecuul is, ' zegt McGuire.

McGuire en zijn collega's bestuderen TMC-1 al enkele jaren omdat eerdere waarnemingen hebben aangetoond dat het rijk is aan complexe koolstofmoleculen. Een paar jaar geleden, een lid van het onderzoeksteam observeerde aanwijzingen dat de wolk benzonitril bevat - een ring met zes koolstofatomen die is bevestigd aan een nitril (koolstof-stikstof) groep.

De onderzoekers gebruikten vervolgens de Green Bank Telescope, 's werelds grootste bestuurbare radiotelescoop, om de aanwezigheid van benzonitril te bevestigen. In hun gegevens ze vonden ook handtekeningen van twee andere moleculen - de PAK's die in dit onderzoek zijn gerapporteerd. Die moleculen, genaamd 1-cyanonaftaleen en 2-cyanonaftaleen, bestaan ​​uit twee aan elkaar versmolten benzeenringen, met een nitrilgroep aan één ring.

"Het detecteren van deze moleculen is een grote sprong voorwaarts in de astrochemie. We beginnen de stippen te verbinden tussen kleine moleculen - zoals benzonitril - waarvan bekend is dat ze in de ruimte bestaan, aan de monolithische PAK's die zo belangrijk zijn in de astrofysica, " zegt Kelvin Lee, een MIT-postdoc die een van de auteurs van de studie is.

Deze moleculen vinden in de kou, starless TMC-1 suggereert dat PAK's niet alleen de bijproducten zijn van stervende sterren, maar kan worden samengesteld uit kleinere moleculen.

"Op de plaats waar we ze vonden, er is geen ster, dus ofwel worden ze ter plekke opgebouwd of zijn ze de overblijfselen van een dode ster, " zegt McGuire. "We denken dat het waarschijnlijk een combinatie van de twee is - het bewijs suggereert dat het noch het ene pad, noch het andere exclusief is. Dat is nieuw en interessant, want er was echt nog geen enkel observationeel bewijs voor dit bottom-up traject."

Koolstofchemie

Koolstof speelt een cruciale rol bij de vorming van planeten, dus de suggestie dat PAK's zelfs in sterloze, koude gebieden van de ruimte, kan wetenschappers ertoe aanzetten hun theorieën te heroverwegen over welke chemicaliën beschikbaar zijn tijdens planeetvorming, zegt McGuire. Omdat PAK's reageren met andere moleculen, ze kunnen interstellaire stofkorrels gaan vormen, die de zaden zijn van asteroïden en planeten.

"We moeten onze modellen van hoe de chemie evolueert volledig heroverwegen, uitgaande van deze sterloze kernen, om het feit op te nemen dat ze deze grote aromatische moleculen vormen, " hij zegt.

McGuire en zijn collega's zijn nu van plan om verder te onderzoeken hoe deze PAK's zijn gevormd, en wat voor soort reacties ze in de ruimte kunnen ondergaan. Ze zijn ook van plan om TMC-1 te blijven scannen met de krachtige Green Bank Telescope. Als ze die waarnemingen hebben van de interstellaire wolk, de onderzoekers kunnen proberen de handtekeningen die ze vinden te matchen met gegevens die ze op aarde genereren door twee moleculen in een reactor te stoppen en ze te beschieten met kilovolt elektriciteit, breken ze in stukjes en laat ze recombineren. Dit kan resulteren in honderden verschillende moleculen, waarvan er vele nog nooit op aarde zijn gezien.

"We moeten blijven zien welke moleculen aanwezig zijn in deze interstellaire bron, want hoe meer we weten over de inventaris, hoe meer we kunnen proberen de stukjes van dit reactieweb met elkaar te verbinden, ' zegt McGuire.