Uzak bir yıldızlararası bulutta karbon depolayan moleküllerin keşfi, kendi güneş sistemimizin nasıl oluştuğuna ışık tutabilir

MIT’deki araştırmacıların liderliğindeki bir ekip, uzak bir yıldızlararası bulutun, polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH) olarak bilinen, büyük, karbon içeren bir molekül türü olan piren bol miktarda içerdiğini keşfetti.

Sonunda kendi güneş sistemimiz haline gelen toz ve gaz birikimine benzeyen bu uzak bulutta pirenin keşfi, pirenin güneş sistemimizdeki karbonun çoğunun kaynağı olabileceğini düşündürmektedir. Bu hipotez aynı zamanda Dünya’ya yakın asteroit Ryugu’dan getirilen numunelerin büyük miktarlarda piren içerdiğine dair yakın zamanda elde edilen bir bulguyla da destekleniyor.

“Yıldız ve gezegen oluşumundaki en büyük sorulardan biri şudur: Bu erken moleküler buluttan gelen kimyasal envanterin ne kadarı kalıtsaldır ve güneş sisteminin temel bileşenlerini oluşturur? Baktığımız şey başlangıç ​​ve sondur ve aynı şeyi gösteriyorlar. Bu, erken moleküler buluttan gelen bu malzemenin güneş sistemimizi oluşturan buz, toz ve kayalık cisimlere doğru yolunu bulduğuna dair oldukça güçlü bir kanıt” diyor kimya yardımcı doçenti Brett McGuire. MİT.

Simetrisinden dolayı pirenin kendisi, uzaydaki moleküllerin yaklaşık %95’ini tespit etmek için kullanılan radyo astronomi tekniklerine göre görünmez. Bunun yerine araştırmacılar, pirenin siyanürle reaksiyona girerek simetrisini bozan bir versiyonu olan siyanopren izomerini tespit etti. Molekül, Batı Virginia’daki Green Bank Gözlemevi’ndeki bir radyo teleskopu olan 100 metrelik Green Bank Teleskobu (GBT) kullanılarak TMC-1 olarak bilinen uzak bir bulutta tespit edildi.

McGuire ve British Colombia Üniversitesi’nde kimya alanında yardımcı doçent olan Ilsa Cooke, bir makalenin kıdemli yazarlarıdır. bulguları açıklayan içinde Bilim. McGuire’ın grubundaki MIT doktora sonrası araştırmacısı Gabi Wenzel, çalışmanın baş yazarıdır.

Uzayda karbon

Birbirine kaynaşmış karbon atomu halkaları içeren PAH’ların, uzayda bulunan karbonun %10 ila 25’ini depoladığına inanılmaktadır. 40 yılı aşkın bir süre önce, kızılötesi teleskoplar kullanan bilim insanları, uzaydaki PAH’ların titreşim modlarına ait olduğu düşünülen özellikleri tespit etmeye başladı ancak bu teknik, tam olarak hangi tür PAH’ların orada olduğunu ortaya çıkaramadı.

“PAH hipotezi 1980’lerde geliştirildiğinden beri birçok kişi PAH’ların uzayda olduğunu ve meteorlarda, kuyruklu yıldızlarda ve asteroit örneklerinde bulunduğunu kabul etti, ancak bireysel PAH’ları açık bir şekilde tanımlamak için kızılötesi spektroskopiyi gerçekten kullanamıyoruz. uzay” diyor Wenzel.

2018 yılında McGuire liderliğindeki bir ekip, TMC-1’de bir nitril (karbon-nitrojen) grubuna bağlı altı karbonlu bir halka olan benzonitrilin keşfini bildirdi. Bu keşfi yapmak için, uzaydaki molekülleri dönme spektrumlarıyla (moleküllerin uzayda yuvarlanırken yaydığı ayırt edici ışık desenleri) tespit edebilen GBT’yi kullandılar. 2021’de ekibi uzaydaki ilk bireysel PAH’ları tespit etti: bir halkaya bağlı bir nitril grubu ile birbirine kaynaşmış iki halkadan oluşan iki siyanonaftalin izomeri.

PAH’lar Dünya’da genellikle fosil yakıtların yakılmasının yan ürünleri olarak ortaya çıkıyor ve ayrıca ızgara yiyeceklerin üzerindeki kömür izlerinde de bulunuyorlar. Sadece 10 kelvin civarındaki TMC-1’deki keşifleri, bunların çok düşük sıcaklıklarda da oluşmasının mümkün olabileceğini düşündürdü.

PAH’ların meteoritlerde, asteroitlerde ve kuyruklu yıldızlarda da bulunmuş olması, birçok bilim insanının PAH’ların kendi güneş sistemimizi oluşturan karbonun çoğunun kaynağı olduğu hipotezini kurmasına yol açmıştır. 2023 yılında Japonya’daki araştırmacılar, Hayabusa2 görevi sırasında asteroit Ryugu’dan dönen örneklerde büyük miktarlarda piren ve naftalin dahil daha küçük PAH’lar buldu.

Bu keşif McGuire ve meslektaşlarını TMC-1’de piren aramaya teşvik etti. Dört halka içeren piren, uzayda tespit edilen diğer PAH’ların hepsinden daha büyük. Aslında uzayda tanımlanan üçüncü en büyük molekül ve radyo astronomisi kullanılarak şimdiye kadar tespit edilen en büyük moleküldür.

Araştırmacıların bu molekülleri uzayda aramadan önce laboratuvarda siyanopirini sentezlemeleri gerekiyordu. Molekülün radyo teleskopunun algılayabileceği bir sinyal yayması için siyano veya nitril grubu gereklidir. Sentez, MIT kimya profesörü Alison Wendlandt’ın grubunda MIT doktora sonrası araştırmacısı Shuo Zhang tarafından gerçekleştirildi.

Daha sonra araştırmacılar, moleküllerin laboratuvarda yaydığı ve uzayda yaydıkları sinyallerle tamamen aynı olan sinyalleri analiz etti.

Araştırmacılar GBT’yi kullanarak bu imzaları TMC-1’in tamamında buldular. McGuire ayrıca, siyanopiren’in bulutta bulunan tüm karbonun yaklaşık %0,1’ini oluşturduğunu da buldu; bu kulağa küçük geliyor ama uzayda var olan binlerce farklı türde karbon içeren molekül göz önüne alındığında önemli, diyor McGuire.

“%0,1 çok büyük bir sayı gibi görünmese de karbonun çoğu, moleküler hidrojenin yanı sıra evrende en çok bulunan ikinci molekül olan karbon monoksitte (CO) hapsolmuş durumda. CO’yu bir kenara bırakırsak, her birkaç yüz taneden bir tanesi. Geriye kalan karbon atomlarının piren içinde olduğunu, neredeyse hepsinin içinde birçok farklı karbon atomunun bulunduğunu ve birkaç yüz taneden birinin piren içinde olduğunu, orada bulunan binlerce farklı molekülü hayal edin” diyor. “Bu kesinlikle muazzam bir bolluk. Neredeyse inanılmaz bir karbon yutağı. Bu, yıldızlararası bir istikrar adası.”

Hollanda’daki Leiden Gözlemevi’nde moleküler astrofizik profesörü Ewine van Dishoeck, keşfi “beklenmedik ve heyecan verici” olarak nitelendirdi.

“Daha küçük aromatik moleküllere ilişkin daha önceki keşiflere dayanıyor, ancak şimdi piren ailesine sıçramak çok büyük. Bu sadece karbonun önemli bir kısmının bu moleküllerde kilitli olduğunu göstermekle kalmıyor, aynı zamanda farklı oluşumlara da işaret ediyor.” Şu ana kadar düşünülenden daha fazla aromatik rota var” diyor araştırmaya dahil olmayan van Dishoeck.

Bol miktarda piren

TMC-1 gibi yıldızlararası bulutlar, toz ve gaz yığınlarının daha büyük cisimler halinde birleşip ısınmaya başlamasıyla, sonunda yıldızların ortaya çıkmasına neden olabilir. Gezegenler, asteroitler ve kuyruklu yıldızlar genç yıldızları çevreleyen gaz ve tozun bir kısmından ortaya çıkar. Bilim insanları, kendi güneş sistemimizi doğuran yıldızlararası buluta zamanda geriye bakamazlar, ancak TMC-1’de pirenin keşfi, asteroit Ryugu’da büyük miktarlarda pirenin bulunmasıyla birlikte, pirenin bu gezegende oluşmuş olabileceğini düşündürmektedir. kendi güneş sistemimizdeki karbonun çoğunun kaynağıydı.

McGuire, “Soğuk buluttan güneş sistemindeki gerçek kayalara kadar bu doğrudan moleküler kalıtımın şimdiye kadarki en güçlü kanıtlarına artık sahip olduğumuzu söyleyebilirim” diyor.

Araştırmacılar şimdi TMC-1’de daha da büyük PAH molekülleri aramayı planlıyor. Ayrıca TMC-1’de bulunan pirenin soğuk bulut içinde mi oluştuğu yoksa evrenin başka bir yerinden, muhtemelen ölmekte olan yıldızları çevreleyen yüksek enerjili yanma süreçlerinden mi geldiği sorusunu araştırmayı umuyorlar.

Bu hikaye MIT News’in izniyle yeniden yayınlanmıştır (web.mit.edu/newsoffice/MIT araştırması, inovasyonu ve öğretimi ile ilgili haberleri kapsayan popüler bir site.