科学者たちは宇宙に炭素の多くを蓄える分子を発見する |マサチューセッツ工科大学ニュース

MITの研究者らが率いるチームは、遠く離れた星間雲に、多環芳香族炭化水素（PAH）として知られる大きな炭素含有分子の一種であるピレンが豊富に含まれていることを発見した。

この遠く離れた雲の中でのピレンの発見は、最終的に私たちの太陽系となった塵とガスの集合体に似ており、ピレンが太陽系の炭素の多くの供給源であった可能性があることを示唆しています。この仮説は、地球近傍の小惑星リュウグウから持ち帰られたサンプルに大量のピレンが含まれているという最近の発見によっても裏付けられている。

「星や惑星の形成における大きな疑問の 1 つは、初期の分子雲からの化学物質のどれだけが受け継がれ、太陽系の基本構成要素を形成しているのかということです。私たちが見ているのは始まりと終わりであり、それらは同じものを示しています。これは、初期の分子雲からのこの物質が、私たちの太陽系を構成する氷、塵、岩体の中に侵入したことを示すかなり強力な証拠です」と、MIT の化学助教授、ブレット・マクガイア氏は言います。

ピレン自体はその対称性により、宇宙の分子の約 95 パーセントを検出するために使用されている電波天文学技術では見えません。その代わりに、研究者らはシアノピレンの異性体、つまりシアン化物と反応して対称性を破ったピレンのバージョンを検出した。この分子は、ウェストバージニア州グリーンバンク天文台の電波望遠鏡である100メートルグリーンバンク望遠鏡（GBT）を使用して、TMC-1として知られる遠くの雲の中で検出された。

マクガイア氏とブリティッシュコロンビア大学化学助教授イルサ・クック氏は、この研究結果を説明した論文の主著者である。 今日登場するのは 科学。マクガイア氏のグループのMIT博士研究員であるガビ・ウェンゼル氏は、この研究の筆頭著者である。

宇宙の炭素

PAH は炭素原子の環が融合したもので、宇宙に存在する炭素の 10 ～ 25 パーセントを貯蔵すると考えられています。 40 年以上前、科学者たちは赤外線望遠鏡を使用して宇宙の PAH の振動モードに属すると考えられる特徴を検出し始めましたが、この技術ではどのタイプの PAH が存在するかを正確に明らかにすることはできませんでした。

「1980年代にPAH仮説が展開されて以来、多くの人がPAHが宇宙に存在し、隕石、彗星、小惑星のサンプルから発見されていると受け入れてきましたが、実際には赤外線分光法を使用して宇宙の個々のPAHを明確に識別することはできません。」スペースです」とウェンゼルは言います。

2018年、マクガイア率いるチームは、TMC-1でベンゾニトリル（ニトリル（炭素窒素）基に結合した炭素6個の環）の発見を報告した。この発見を行うために、彼らは GBT を使用しました。GBT は、回転スペクトル (分子が空間を転がるときに発する独特の光のパターン) によって空間内の分子を検出できます。 2021年、彼のチームは宇宙で初めて個々のPAHを検出した。それは、2つの環が融合し、1つの環にニトリル基が結合したシアノナフタレンの2つの異性体である。

地球上では、PAH は一般に化石燃料の燃焼の副産物として発生し、グリルした食べ物の焦げ跡にも含まれています。わずか約 10 ケルビンの TMC-1 での発見は、それらが非常に低い温度でも形成できる可能性があることを示唆しました。

PAH が隕石、小惑星、彗星からも発見されているという事実により、多くの科学者は PAH が私たちの太陽系を形成した炭素の多くの供給源であるという仮説を立てています。 2023年、日本の研究者らは、はやぶさ2のミッション中に小惑星リュウグウから持ち帰られたサンプル中に大量のピレンと、ナフタレンを含む小型のPAHを発見した。

この発見は、マクガイアと彼の同僚が TMC-1 でピレンを探す動機となった。ピレンは 4 つの環を含み、宇宙で検出された他の PAH よりも大きい。実際、これは宇宙で確認された分子としては 3 番目に大きく、電波天文学でこれまでに検出された分子としては最大のものです。

宇宙でこれらの分子を探す前に、研究者たちはまず実験室でシアノピレンを合成する必要がありました。シアノ基またはニトリル基は、分子が電波望遠鏡で検出できる信号を発するために必要です。この合成は、MIT 化学准教授 Alison Wendlandt のグループの MIT ポスドク Shuo Zhang によって行われました。

次に、研究者らは、分子が実験室で発する信号を分析しました。これは、分子が宇宙で発する信号とまったく同じでした。

研究者らは GBT を使用して、TMC-1 全体でこれらの署名を発見しました。また、シアノピレンが雲に含まれる全炭素の約0.1パーセントを占めていることも判明した。これは小さいように聞こえるが、宇宙に存在する何千もの異なる種類の炭素含有分子を考慮すると重要であるとマクガイア氏は言う。

「0.1パーセントというと大きな数字のように聞こえませんが、ほとんどの炭素は一酸化炭素（CO）に閉じ込められており、一酸化炭素は水素分子に次いで宇宙で2番目に豊富な分子です。 CO を脇に置くと、残りの炭素原子数百個に 1 個がピレンに含まれます。そこに存在する何千もの異なる分子を想像してみてください。そのほとんどすべてがさまざまな炭素原子を持ち、数百個に 1 個がピレンに含まれています」と彼は言います。 「それは本当に膨大な量です。ほとんど信じられないほどのカーボンの沈み込み。それは星間の安定の島だ。」

オランダのライデン天文台の分子天体物理学の教授、エワイン・ファン・ディショエック氏は、この発見を「予想外で刺激的な」と述べた。

「これは、より小さな芳香族分子に関する彼らの以前の発見に基づいていますが、今ピレンファミリーにジャンプすることは非常に大きなことです。これは、炭素のかなりの部分がこれらの分子の中に閉じ込められていることを証明するだけでなく、これまで考えられてきたものとは異なる芳香族化合物の生成経路を示している」と研究には関与していないファン・ディショック氏は言う。

ピレンがたっぷり

TMC-1 のような星間雲は、塵やガスの塊が合体してより大きな天体になり、加熱され始めるため、最終的には星を生み出す可能性があります。惑星、小惑星、彗星は、若い星の周囲にあるガスや塵の一部から生じます。科学者たちは、私たちの太陽系の起源となった星間雲を過去に振り返ることはできませんが、TMC-1 でのピレンの発見と、小惑星リュウグウ内に大量のピレンが存在することは、ピレンが太陽系の起源となった可能性を示唆しています。私たちの太陽系の炭素の多くの供給源となっています。

「私たちは、あえて言えば、冷たい雲から太陽系の実際の岩石に至るまで、この分子の直接的な継承を示すこれまでで最も強力な証拠を手に入れました」とマクガイア氏は言う。

研究者らは現在、TMC-1の中でさらに大きなPAH分子を探す計画を立てている。彼らはまた、TMC-1で見つかったピレンが冷たい雲の中で形成されたのか、それとも宇宙の他の場所から、おそらく死にゆく星を取り囲む高エネルギーの燃焼過程から到着したのかという疑問を調査したいと考えている。

この研究は、ベックマン財団若手研究者賞、シュミット・ファミリー・フューチャーズ財団、米国国立科学財団、カナダ自然科学工学研究評議会、ゴダード宇宙生物学センター、NASA惑星科学部門の内部科学者から一部資金提供を受けました。資金提供プログラム。