MIT研究人员在遥远的星际云中发现了芘

麻省理工学院（MIT）的研究人员在遥远的星际云中发现了一种复杂的碳分子--芘，它与形成太阳系的星际云相似。这一发现是利用射电天文学探测到的，它表明这种分子可能是太阳系中大量碳的来源。 这与小行星"龙宫"样本中的证据相吻合，可能会重塑我们对宇宙碳分布和行星形成的认识。

麻省理工学院领导的一个研究小组在遥远的星际云中发现了一种富含芘的物质，芘是一种大的碳基分子，被归类为多环芳烃（PAH）。

在与最终形成太阳系的尘埃和气体相似的云中发现芘，表明芘可能是太阳系中碳的主要来源。 最近从近地小行星"龙宫"采集的样本中发现了大量的芘，进一步证实了这一观点。

"恒星和行星形成过程中的一个重大问题是：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组成部分？ 我们正在研究的是起点和终点，它们显示的是同样的东西。 "麻省理工学院化学系助理教授布雷特-麦奎尔（Brett McGuire）说："这是非常有力的证据，证明这些来自早期分子云的物质会进入冰、尘埃和岩石天体，从而构成我们的太阳系。"

研究结果表明，芘可能是太阳系中大部分碳的来源。布雷特-麦奎尔（右）说："这是一个几乎令人难以置信的碳汇。" 图片来源：Bryce Vickmark

由于其对称性，芘本身在射电天文学技术中是不可见的，而射电天文学技术已被用来探测太空中约 95% 的分子。 相反，研究人员探测到了氰芘的异构体，氰芘是芘的一种，它与氰化物发生反应，破坏了芘的对称性。 研究人员利用西弗吉尼亚州绿岸天文台（Green Bank Observatory）的 100 米射电望远镜--绿岸望远镜（Green Bank Telescope，GBT），在名为 TMC-1 的遥远云层中探测到了这种分子。

麦奎尔和英属哥伦比亚大学化学系助理教授伊莎-库克（Ilsa Cooke）是描述这一发现的论文的资深作者，该论文于10月24日发表在科学杂志上。 麦奎尔小组的麻省理工学院博士后加比-文泽尔（Gabi Wenzel）是这项研究的第一作者。

探测太空分子的技术与挑战

多环芳烃含有融合在一起的碳原子环，据信储存了太空中 10% 到 25% 的碳。 40 多年前，科学家们利用红外望远镜开始探测太空中被认为属于多环芳烃振动模式的特征，但这种技术无法准确揭示太空中存在哪些类型的多环芳烃。

“自上世纪八十年代提出多环芳烃假说以来，很多人都认为太空中存在多环芳烃，陨石、彗星和小行星样本中都发现了多环芳烃，但我们无法真正使用红外光谱来明确识别太空中的单个多环芳烃。温泽尔说。

"恒星和行星形成过程中的一个重大问题是：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组成部分？ 我们研究的是起点和终点，它们显示的是同样的东西"。 麦奎尔说。 图片来源：Bryce Vickmark

2018年，麦奎尔领导的团队报告说，在TMC-1中发现了苯甲腈--一个连接着腈（碳-氮）基团的六碳环。 为了实现这一发现，他们使用了 GBT，该仪器可以通过旋转光谱探测太空中的分子--分子在太空中翻滚时发出的独特光型。 2021 年，他的团队在太空中探测到了第一种独立的多环芳烃：氰基萘的两种异构体，氰基萘由两个环融合而成，其中一个环上附有一个腈基。

在地球上，多环芳烃通常是化石燃料燃烧的副产品，在烧烤食物的焦痕中也能发现它们。 在温度只有大约 10 开尔文的 TMC-1 中发现多环芳烃表明，它们也有可能在非常低的温度下形成。

事实上，在陨石、小行星和彗星中也发现了多环芳烃，这让许多科学家假设多环芳烃是形成太阳系的大部分碳的来源。 2023 年，日本研究人员在隼鸟 2 号（Hayabusa2）任务中从小行星龙宫（Ryugu）发回的样本中发现了大量芘，以及包括萘在内的较小的多环芳烃。

这一发现促使 McGuire 和他的同事在 TMC-1 中寻找芘。 芘含有四个环，比太空中探测到的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，也是利用射电天文学探测到的最大分子。

在太空中寻找这些分子之前，研究人员首先要在实验室中合成氰芘。 氰基或丁腈基是分子发出射电望远镜能探测到的信号的必要条件。 合成工作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（Alison Wendlandt）的小组中完成。

然后，研究人员分析了分子在实验室中发出的信号，这些信号与它们在太空中发出的信号完全相同。

研究人员利用 GBT 在整个 TMC-1 中发现了这些特征。 他们还发现，氰芘约占云中所有碳的0.1%，这听起来很小，但如果考虑到太空中存在的成千上万种不同类型的含碳分子，就显得非常重要了，McGuire说。

"虽然0.1%听起来不是个大数字，但大部分碳都被困在一氧化碳（CO）中，而一氧化碳是宇宙中除氢分子外含量第二高的分子。 如果撇开一氧化碳不谈，剩下的每几百个碳原子中就有一个在芘中。 "他说："想象一下，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是芘。这绝对是一个巨大的丰度。 几乎是难以置信的碳汇。 这是一个稳定的星际岛。"

荷兰莱顿天文台分子天体物理学教授 Ewine van Dishoeck 称这一发现"出乎意料，令人兴奋"。

"这一发现建立在他们早先发现的较小芳香分子的基础上，但现在跳转到芘家族的发现则是巨大的。" Van Dishoeck 说："这不仅证明了这些分子中锁住了大量的碳，而且还指出了芳香族的不同形成途径，这与迄今为止所考虑的不同。"

随着尘埃和气体团块凝聚成较大的天体并开始升温，像 TMC-1 这样的星际云最终可能会产生恒星。 行星、小行星和彗星就产生于年轻恒星周围的一些气体和尘埃中。 科学家无法回溯产生太阳系的星际云，但在TMC-1中发现芘，以及在小行星龙宫中发现大量芘，表明芘可能是太阳系中大部分碳的来源。

麦奎尔说："我敢说，我们现在有了最有力的证据，证明这种从冷云一直到太阳系实际岩石的直接分子遗传。"

研究人员现在计划在 TMC-1 中寻找更大的多环芳烃分子。 他们还希望研究在TMC-1中发现的芘是在冷云中形成的，还是来自宇宙的其他地方，可能是濒临灭绝的恒星周围的高能燃烧过程。

编译自/SciTechDaily