宇宙“荒漠”中的“绿洲”_风闻
观察者网用户_244575-2021-03-23 08:23
编译：雷丰图
校对：牧夫天文校对组
排版：雷丰图
后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳
宇宙中的相当一部分碳是以多环芳烃大分子形式存在着。间接证据表明，这些分子在空间中含量丰富，但从未被直接观测到。
多环芳烃通常在高温下形成。在地球上，它们产生于化石燃料燃烧的副产品以及烧烤食物的焦痕中。如今，由麻省理工学院助理教授布雷特·麦圭尔领导的一个研究小组在一片名为金牛座分子云（TMC-1）的空间中发现了两种独特的多环芳烃。然而这片星云甚至还没有开始形成恒星，其温度大约为-263摄氏度，仅比绝对零度高十度。
这意味着，多环芳烃可以在比预期低得多的温度下形成，而这一发现将使科学家重新审视多环芳烃在恒星和行星形成中的作用。
研究人员麦圭尔介绍：“我们不仅在这次发现中证实了一个酝酿了30年的假说，而且还能看看这一个区域内的其它分子，以及它们是如何反应形成多环芳烃的，并在这之后是否会有进一步的化学反应形成更大的分子。这都将影响我们对大型碳分子在星体形成中所起作用的猜想。”
在夜空中，昂星团旁边黑色的条纹就是金牛座分子云
Credit: Brett A. McGuire, Copyright 2018
从20世纪80年代开始，天文学家利用望远镜探测到代表着芳香族分子存在的红外信号，这些分子通常包括一个或多个碳环。据猜测，太空中约有10%至25%的碳存在于多环芳烃中，它们至少含有两个碳环，但因为红外信号的局限性，我们无法识别出是什么分子。
这意味着，我们无法挖掘这些分子形成的详细化学机制，例如它们如何与其他分子发生反应，如何被破坏，以及整个碳循环在形成恒星和行星甚至生命的过程。
虽然射电天文学自20世纪60年代以来一直是空间分子发现的主力军，但有能力探测这些大分子的射电望远镜至今只运作了十几年。射电望远镜通过接收分子的旋转光谱（这是分子的旋转能级发出的特征光谱）来进行观测。随后，研究人员将尝试把在太空中观察到的模式与他们在地球实验室中的分子身上看到的模式相匹配，进而识别观测到的分子的种类。
每一种分子都有其独特的旋转光谱，图中所示的某种有机物在40K的温度下的旋转光谱。横轴代表其电磁辐射的频率，纵轴为其相对吸光度。
Credit: Chemistry LibreTexts
这样不仅可以识别它们。而且，通过线条的强度和图案中不同部分的相对强度，我们还能获得分子的数量和温度等相关数据。
几年前，研究小组的一位成员观察到云中含有苯腈——一个连接到腈（碳氮）基团的六碳环。自此，麦圭尔和他的同事们开始了对TMC-1长达数年的研究。
随后，研究人员使用世界上最大的可转向射电望远镜——绿岸望远镜来确认苯腈的存在。在他们的数据中，他们还发现了另外两种分子的信号，也就是后来研究报告中的多环芳烃。这些分子被称为1-氰基萘和2-氰基萘，由两个苯环融合在一起，再外挂一个腈基。
绿岸望远镜
Credit: Brett A. McGuire, Copyright 2018
来自麻省理工学院的研究者之一，博士后凯尔文·李介绍：“这些分子的发现是天体化学的一个重大飞跃。我们开始将空间中已知存在的小分子，例如苯腈，与在天体物理学中非常重要的单体多环芳烃联系起来。”
由于TMC-1寒冷又没有恒星，所以多环芳烃不仅仅是垂死恒星的产物，也可能是由更小的分子组装而成。
在一系列论文中，科学家们描述了在TMC-1中检测到的十多种多环芳香烃。这些以前从未在星际介质中检测到的复杂分子，使科学家们能够更好地理解恒星、行星和太空中其他物体的形成。一些被探测到的分子包括，从左到右：1-氰基萘、1-氰基环戊二烯、HC11N、2-氰基萘、乙烯基氰基乙炔、2-氰基环戊二烯、苯腈、反式(E)-氰基乙烯基乙炔、HC4NC和丙炔基氰化物等。
Credit：M. Weiss / Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian
当多环芳烃与其他分子发生反应时，它们会开始形成星际尘粒，这是小行星和行星的种子。因此多环芳烃可能存在于无星、寒冷的空间这一发现，将促使科学家重新评估在行星形成之初参与反应的化学物质。
麦圭尔和他的同事们正在进一步研究这些多环芳烃的形成，以及它们在太空中可能导致的反应。他们还计划继续用绿岸望远镜对TMC-1进行扫描。与此同时，研究人员会模拟分子的形成过程，即将两个分子放入反应堆中，用千伏的电力轰击，将它们打成碎片并重新组合。这一过程可能会产生数百种不同的分子，其中许多是地球上从未见过的。一旦望远镜从星云中获得了这些观测数据，研究人员就可以尝试将他们发现的信号与他们在地球上的实验结果相匹配。
我们需要继续观察这个区域内存在哪些分子，我们对这里的分子种类了解越多，就越能窥视整个反应网络。
参考文章：
https://phys.org/news/2021-03-space-complex-carbon-based-molecules.html
『天文时刻』 牧夫出品
微信公众号：astronomycn
(Image Credit & Copyright: Francis Bozon )