کشف مولکول‌های جدید: ذخیره‌ساز کربن در فضا!

کشف پی‌رنه در ابرهای بین‌ستاره‌ای

تیمی از محققان MIT کشف کرده‌اند که یک ابر بین‌ستاره‌ای دوردست حاوی مقدار زیادی پی‌رنه است، نوعی مولکول بزرگ کربن‌دار که به عنوان هیدروکربن آروماتیک چندحلقه‌ای (PAH) شناخته می‌شود. کشف پی‌رنه در این ابر دوردست، که مشابه مجموعه‌ای از گرد و غبار و گاز است که در نهایت به سیستم خورشیدی ما تبدیل شد، نشان می‌دهد که پی‌رنه ممکن است منبع بسیاری از کربن موجود در سیستم خورشیدی ما باشد. این فرضیه همچنین با یافته‌ای جدید که نشان می‌دهد نمونه‌های برگردانده شده از سیارک نزدیک به زمین ریگو حاوی مقادیر زیادی پی‌رنه هستند، تأیید می‌شود.

برنت مک‌گوایر، استادیار شیمی در MIT، می‌گوید: “یکی از سوالات بزرگ در تشکیل ستاره‌ها و سیارات این است که چه مقدار از موجودی شیمیایی آن ابر مولکولی اولیه به ارث رسیده و اجزای بنیادین سیستم خورشیدی را تشکیل می‌دهد؟ آنچه ما بررسی می‌کنیم، آغاز و پایان است و آن‌ها نشان‌دهنده یکی هستند. این شواهد قوی نشان می‌دهد که این مواد از ابر مولکولی اولیه به یخ، گرد و غبار و اجسام سنگی که سیستم خورشیدی ما را تشکیل می‌دهند، راه پیدا می‌کنند.”

پی‌رنه و روش‌های رادیو نجوم

به دلیل تقارن خود، پی‌رنه به روش‌های رادیو نجوم که برای شناسایی حدود ۹۵ درصد مولکول‌ها در فضا استفاده می‌شود، نامرئی است. در عوض، محققان ایزومر سیانوپی‌رنه را شناسایی کردند، نسخه‌ای از پی‌رنه که با سیانید واکنش داده و تقارن خود را شکسته است. این مولکول در ابر دوردستی به نام TMC-1 با استفاده از تلسکوپ رادیویی ۱۰۰ متری گرین بنک (GBT) شناسایی شد. مک‌گوایر و ایلسا کوک، استادیار شیمی در دانشگاه بریتیش کلمبیا، نویسندگان ارشد مقاله‌ای هستند که یافته‌ها را توصیف می‌کند و در نشریه Science منتشر خواهد شد. گابی ونتزل، پژوهشگر پسادکتری در گروه مک‌گوایر، نویسنده اصلی این مطالعه است.

کربن در فضا

هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای (PAHs) که شامل حلقه‌های اتم کربن به هم پیوسته هستند، به عنوان ذخیره‌ساز ۱۰ تا ۲۵ درصد از کربن موجود در فضا شناخته می‌شوند. بیش از ۴۰ سال پیش، دانشمندان با استفاده از تلسکوپ‌های فروسرخ شروع به شناسایی ویژگی‌هایی کردند که به حالت‌های ارتعاشی PAHها در فضا نسبت داده می‌شود، اما این تکنیک نمی‌توانست به‌طور دقیق نشان دهد که کدام نوع PAHها در آنجا وجود دارند. ونتزل می‌گوید: “از زمانی که فرضیه PAH در دهه ۱۹۸۰ توسعه یافت، بسیاری از افراد پذیرفته‌اند که PAHها در فضا وجود دارند و آن‌ها در شهاب‌سنگ‌ها، دنباله‌دارها و نمونه‌های سیارکی یافت شده‌اند، اما ما واقعاً نمی‌توانیم از طیف‌سنجی فروسرخ برای شناسایی بدون ابهام PAHهای فردی در فضا استفاده کنیم.”

در سال ۲۰۱۸، تیمی به رهبری مک‌گوایر کشف بنزنیتریل – یک حلقه شش‌کربنی متصل به گروه نیتریل (کربن-نیتروژن) – را در TMC-1 گزارش کرد. برای انجام این کشف، آن‌ها از GBT استفاده کردند که می‌تواند مولکول‌ها را در فضا از طریق طیف‌های چرخشیشان شناسایی کند – الگوهای نوری خاصی که مولکول‌ها هنگام چرخش در فضا از خود ساطع می‌کنند. در سال ۲۰۲۱، تیم او اولین PAHهای فردی را در فضا شناسایی کرد: دو ایزومر سیانوفتالین، که شامل دو حلقه به هم پیوسته است و یک گروه نیتریل به یکی از حلقه‌ها متصل است.

در زمین، PAHها معمولاً به عنوان محصولات جانبی سوختن سوخت‌های فسیلی به وجود می‌آیند و همچنین در نشانه‌های کربنی روی غذاهای کبابی یافت می‌شوند. کشف آن‌ها در TMC-1، که تنها حدود ۱۰ کلوین دما دارد، نشان می‌دهد که ممکن است آن‌ها در دماهای بسیار پایین نیز تشکیل شوند. واقعیت این است که PAHها همچنین در شهاب‌سنگ‌ها، سیارک‌ها و دنباله‌دارها یافت شده‌اند، بسیاری از دانشمندان را به این فرضیه رسانده که PAHها منبع بسیاری از کربن‌هایی هستند که سیستم خورشیدی ما را تشکیل داده‌اند.

کشف پیریدن در ابر بین‌ستاره‌ای TMC-1

در سال 2023، پژوهشگران ژاپنی مقادیر زیادی از پیریدن را در نمونه‌های بازگشتی از سیارک ریگو طی مأموریت هایابوسا2 پیدا کردند. همچنین، مقادیر کمتری از هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای (PAHs) مانند نفتالین نیز در این نمونه‌ها وجود داشت. این کشف، مک‌گوایر و همکارانش را به جستجوی پیریدن در TMC-1 ترغیب کرد. پیریدن که دارای چهار حلقه است، بزرگ‌تر از هر یک از دیگر PAHs شناسایی‌شده در فضا است. در واقع، این مولکول سومین مولکول بزرگ شناسایی‌شده در فضا و بزرگ‌ترین مولکول شناسایی‌شده با استفاده از رادیو نجوم است.

قبل از جستجوی این مولکول‌ها در فضا، پژوهشگران ابتدا باید سیانوپیریدن را در آزمایشگاه سنتز می‌کردند. گروه سیانو یا نیتریل برای این مولکول ضروری است تا سیگنالی را که تلسکوپ رادیویی می‌تواند شناسایی کند، ساطع کند. سنتز این مولکول توسط شُو ژانگ، پژوهشگر پسادکتری MIT، در گروه آلیسون وندلندت، استاد شیمی MIT، انجام شد. سپس پژوهشگران سیگنال‌هایی را که این مولکول‌ها در آزمایشگاه ساطع می‌کنند، تحلیل کردند که دقیقاً همان سیگنال‌هایی هستند که در فضا ساطع می‌شوند. با استفاده از تلسکوپ GBT، پژوهشگران این نشانه‌ها را در سراسر TMC-1 پیدا کردند. آن‌ها همچنین دریافتند که سیانوپیریدن حدود 0.1 درصد از کل کربن موجود در ابر را تشکیل می‌دهد که اگرچه به نظر کم می‌رسد، اما زمانی که به هزاران نوع مختلف مولکول‌های کربن‌دار در فضا فکر می‌کنیم، اهمیت آن نمایان می‌شود. مک‌گوایر می‌گوید: “در حالی که 0.1 درصد به نظر عدد بزرگی نمی‌آید، بیشتر کربن در مونوکسید کربن (CO) محبوس است، که دومین مولکول فراوان در جهان پس از هیدروژن مولکولی است. اگر CO را کنار بگذاریم، یکی از هر چند صد اتم کربن باقی‌مانده در پیریدن است. تصور کنید که هزاران مولکول مختلف در آنجا وجود دارد، تقریباً همه آن‌ها با اتم‌های کربن مختلف، و یکی از هر چند صد در پیریدن است.” او ادامه می‌دهد: “این یک فراوانی فوق‌العاده است. یک انباشت تقریباً غیرقابل‌باور از کربن. این یک جزیره بین‌ستاره‌ای از ثبات است.”

واکنش‌های علمی به کشف پیریدن

اویین ون دی‌شوک، استاد اخترفیزیک مولکولی در رصدخانه لیدن هلند، این کشف را “غافلگیرکننده و هیجان‌انگیز” توصیف کرد. او گفت: “این کشف بر اساس یافته‌های قبلی آن‌ها از مولکول‌های آروماتیک کوچکتر است، اما جهش به خانواده پیریدن بسیار بزرگ است. این نه تنها نشان می‌دهد که بخش قابل توجهی از کربن در این مولکول‌ها قفل شده است، بلکه به مسیرهای تشکیل متفاوتی از آروماتیک‌ها اشاره دارد که تا کنون در نظر گرفته نشده‌اند.” ون دی‌شوک در این تحقیق مشارکت نداشته است.

پیامدهای کشف پیریدن

ابرهای بین‌ستاره‌ای مانند TMC-1 ممکن است در نهایت به ستاره‌ها تبدیل شوند، زیرا توده‌های گرد و غبار و گاز به هم می‌پیوندند و به بدن‌های بزرگ‌تر تبدیل می‌شوند و شروع به گرم شدن می‌کنند. سیارات، سیارک‌ها و دنباله‌دارها از برخی از گاز و گرد و غباری که اطراف ستاره‌های جوان وجود دارد، شکل می‌گیرند. دانشمندان نمی‌توانند به گذشته نگاه کنند و ابر بین‌ستاره‌ای که به سیستم خورشیدی ما منجر شده است را مشاهده کنند، اما کشف پیریدن در TMC-1، همراه با وجود مقادیر زیادی از پیریدن در سیارک ریگو، نشان می‌دهد که پیریدن ممکن است منبع بسیاری از کربن‌های موجود در سیستم خورشیدی ما باشد. مک‌گوایر می‌گوید: “ما اکنون، به جرأت می‌توانم بگویم، قوی‌ترین شواهد مستقیم از این وراثت مولکولی را از ابر سرد تا سنگ‌های واقعی در سیستم خورشیدی داریم.”

پژوهشگران اکنون برنامه‌ریزی می‌کنند تا به دنبال مولکول‌های بزرگ‌تر PAH در TMC-1 بگردند. آن‌ها همچنین امیدوارند که به این سؤال پاسخ دهند که آیا پیریدن یافت‌شده در TMC-1 در داخل ابر سرد شکل گرفته است یا اینکه از جای دیگری در جهان آمده است، احتمالاً از فرآیندهای احتراق با انرژی بالا که اطراف ستاره‌های در حال مرگ وجود دارد. این تحقیق بخشی از بودجه خود را از جوایز بنیاد بکمن برای پژوهشگران جوان، بنیاد خانواده اشمیت، بنیاد ملی علوم ایالات متحده، شورای پژوهش‌های طبیعی و مهندسی کانادا، مرکز آستروبیولوژی گودارد و برنامه تأمین مالی داخلی دانشمندان بخش علوم سیاره‌ای ناسا دریافت کرده است.