Mycket av kolet i rymden tros existera i form av stora molekyler som kallas polycykliska aromatiska kolväten (PAH). Sedan 1980-talet, indicier har indikerat att dessa molekyler är rikliga i rymden, men de har inte observerats direkt.

Nu, ett team av forskare ledda av MIT biträdande professor Brett McGuire har identifierat två distinkta PAH i en plats i rymden som kallas Taurus Molecular Cloud (TMC-1). PAH troddes bildas effektivt endast vid höga temperaturer - på jorden, de uppstår som biprodukter av förbränning av fossila bränslen, och de finns också i rödingmärken på grillad mat. Men det interstellära molnet där forskargruppen observerade dem har ännu inte börjat bilda stjärnor, och temperaturen är cirka 10 grader över den absoluta nollpunkten.

Denna upptäckt tyder på att dessa molekyler kan bildas vid mycket lägre temperaturer än förväntat, och det kan få forskare att ompröva sina antaganden om PAH-kemins roll i bildandet av stjärnor och planeter, säger forskarna.

"Det som gör upptäckten så viktig är att vi inte bara har bekräftat en hypotes som har varit under 30 år, men nu kan vi titta på alla andra molekyler i den här källan och fråga hur de reagerar för att bilda PAH:erna vi ser, hur PAH:erna vi ser kan reagera med andra saker för att möjligen bilda större molekyler, och vilka konsekvenser det kan ha för vår förståelse av mycket stora kolmolekylers roll för att bilda planeter och stjärnor, " säger McGuire, som är seniorförfattare till den nya studien.

Michael McCarthy, biträdande chef för Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, är en annan senior författare till studien, som visas idag i Vetenskap . I forskargruppen ingår även forskare från flera andra institutioner, inklusive University of Virginia, National Radio Astronomy Observatory, och NASA:s Goddard Space Flight Center.

Särskiljande signaler

Från och med 1980-talet, astronomer har använt teleskop för att upptäcka infraröda signaler som tyder på närvaron av aromatiska molekyler, som är molekyler som vanligtvis inkluderar en eller flera kolringar. Cirka 10 till 25 procent av kolet i rymden tros finnas i PAH, som innehåller minst två kolringar, men de infraröda signalerna var inte tillräckligt distinkta för att identifiera specifika molekyler.

"Det betyder att vi inte kan gräva i de detaljerade kemiska mekanismerna för hur dessa bildas, hur de reagerar med varandra eller andra molekyler, hur de förstörs, och hela kolets cykel under hela processen att bilda stjärnor och planeter och så småningom liv, " säger McGuire.

Även om radioastronomi har varit en arbetshäst för molekylära upptäckter i rymden sedan 1960-talet, radioteleskop som är kraftfulla nog att upptäcka dessa stora molekyler har bara funnits i lite över ett decennium. Dessa teleskop kan fånga upp molekylers rotationsspektra, som är distinkta ljusmönster som molekyler avger när de tumlar genom rymden. Forskare kan sedan försöka matcha mönster som observerats i rymden med mönster som de har sett från samma molekyler i laboratorier på jorden.

"När du har matchat mönstret, du vet att det inte finns någon annan molekyl som kan ge ifrån sig det exakta spektrumet. Och, intensiteten på linjerna och den relativa styrkan hos de olika delarna av mönstret säger något om hur mycket av molekylen det finns, och hur varm eller kall molekylen är, " säger McGuire.

McGuire och hans kollegor har studerat TMC-1 i flera år eftersom tidigare observationer har visat att den är rik på komplexa kolmolekyler. Några år sedan, en medlem av forskargruppen observerade antydningar om att molnet innehåller bensonitril - en sexkolsring bunden till en nitril (kol-kväve) grupp.

Forskarna använde sedan Green Bank Telescope, världens största styrbara radioteleskop, för att bekräfta närvaron av bensonitril. I sina uppgifter, de hittade också signaturer av två andra molekyler - PAH som rapporterats i denna studie. Dessa molekyler, kallas 1-cyanaftalen och 2-cyanaftalen, består av två bensenringar smälta samman, med en nitrilgrupp fäst vid en ring.

"Att upptäcka dessa molekyler är ett stort steg framåt inom astrokemin. Vi börjar koppla ihop prickarna mellan små molekyler - som bensonitril - som har varit kända för att existera i rymden, till de monolitiska PAH som är så viktiga inom astrofysik, " säger Kelvin Lee, en MIT postdoc som är en av författarna till studien.

Att hitta dessa molekyler i kylan, stjärnlös TMC-1 antyder att PAH inte bara är biprodukter av döende stjärnor, men kan vara sammansatt av mindre molekyler.

"På den plats där vi hittade dem, det finns ingen stjärna, så antingen byggs de upp på plats eller så är de resterna av en död stjärna, " säger McGuire. "Vi tror att det förmodligen är en kombination av de två – bevisen tyder på att det varken är den ena vägen eller den andra uteslutande. Det är nytt och intressant eftersom det verkligen inte hade funnits några observationsbevis för denna nedifrån-och-upp-väg tidigare."

Kolkemi

Kol spelar en avgörande roll i bildandet av planeter, så förslaget att PAH kan finnas även i stjärnlösa, kalla områden i rymden, kan få forskare att ompröva sina teorier om vilka kemikalier som finns tillgängliga under planetbildning, säger McGuire. När PAH reagerar med andra molekyler, de kan börja bilda interstellära dammkorn, som är frön till asteroider och planeter.

"Vi måste helt och hållet ompröva våra modeller av hur kemin utvecklas, utgående från dessa stjärnlösa kärnor, att inkludera det faktum att de bildar dessa stora aromatiska molekyler, " han säger.

McGuire och hans kollegor planerar nu att ytterligare undersöka hur dessa PAH bildades, och vilka typer av reaktioner de kan genomgå i rymden. De planerar också att fortsätta skanna TMC-1 med det kraftfulla Green Bank Telescope. När de väl har dessa observationer från det interstellära molnet, forskarna kan försöka matcha signaturerna de hittar med data som de genererar på jorden genom att sätta två molekyler i en reaktor och spränga dem med kilovolt elektricitet, dela dem i bitar och låt dem kombineras igen. Detta kan resultera i hundratals olika molekyler, många av dem har aldrig setts på jorden.

"Vi måste fortsätta att se vilka molekyler som finns i denna interstellära källa, för ju mer vi vet om inventeringen, ju mer vi kan börja försöka koppla ihop bitarna av denna reaktionsbana, " säger McGuire.