太阳系中的碳元素是怎么产生的？

太阳系中的碳元素是怎么产生的？

麻省理工学院（MIT）的一个研究团队发现，一个遥远的星云中含有大量的芘，这是一种被称为多环芳烃（PAH）的碳含量丰富的大分子。

这片遥远的云层与最终形成我们太阳系的尘埃和气体聚集体相似，在其中发现的芘表明芘可能是我们太阳系中大部分碳的来源。这一假设也得到了近期发现的支持，即从近地小行星“龙宫”带回的样本中含有大量芘。

麻省理工学院化学助理教授布雷特·麦圭尔表示，恒星和行星形成中的一个重要问题是：早期分子云中的化学成分有多少被继承下来，成为太阳系的基本组成部分？我们目前看到的是这个过程的起点和终点，而它们展现出相同的成分。这是一个有力的证据，表明这种早期分子云中的物质会进入构成我们太阳系的“冰”、尘埃和岩石天体中。

由于其对称性，芘本身无法被用于探测约95%宇宙分子成分的射电天文学技术所捕捉。研究人员检测到的是芘的一种异构体——氰芘，即一种与氰化物发生反应后被破坏了对称性的芘版本。该分子是在一个名为TMC-1的遥远星云中被探测到的，研究团队利用位于西弗吉尼亚州绿岸天文台的100米口径射电望远镜“绿岸望远镜” (GBT) 成功观测到了这一分子。

麦奎尔（Brett McGuire）和不列颠哥伦比亚大学化学系助理教授伊尔莎·库克（Ilsa Cooke）是Science期刊上这篇论文的资深作者。麦奎尔团队中的主要作者是麻省理工学院的博士后加比·文泽尔（Gabi Wenzel）。

多环芳烃（PAHs）包含多个碳原子环相互融合，据信它们储存了太空中10%至25%的碳。40多年前，科学家开始使用红外望远镜探测一些被认为属于太空中多环芳烃振动模式的特征，但这种技术无法精确揭示太空中存在的具体多环芳烃类型。

温泽尔表示：“自从上世纪80年代提出多环芳烃（PAH）假说以来，很多人都接受了PAH存在于太空中的事实，并且它们在陨石、彗星和小行星样本中被发现。然而，我们无法通过红外光谱法明确识别太空中单个PAH的具体种类。”

2018年，麦奎尔领导的团队报告在TMC-1中发现了苯甲腈——一种带有腈基（碳氮基团）的六碳环分子。为实现这一发现，他们利用了绿岸望远镜（GBT），该望远镜通过分子在太空中旋转时发出的独特光谱模式——旋转光谱——来探测太空中的分子。2021年，他的团队首次在太空中探测到单个PAHs分子：两种氰基萘的异构体，它由两个融合在一起的环组成，其中一个环上连接有腈基。

在地球上，PAHs通常是化石燃料燃烧的副产品，也会出现在烤食品的焦痕上。而在温度仅约10开尔文的TMC-1云团中发现这些分子，表明它们可能也能够在极低温度下形成。

PAHs还在陨石、小行星和彗星中被发现，这使许多科学家假设它们是形成我们太阳系的碳的重要来源。2023年，日本的研究人员在隼鸟2号任务中返回的小行星龙宫样本中发现了大量的芘，同时还发现了较小的PAHs，包括萘。

这一发现激励了McGuire和他的同事们在TMC-1中寻找芘。芘含有四个环，是迄今为止在太空中发现的所有PAHs中最大的分子。事实上，它是目前在太空中识别的第三大分子，也是通过射电天文学探测到的最大分子。

在研究人员在太空中寻找这些分子之前，他们首先必须在实验室中合成氰基芘。氰基或腈基团对于分子发出射电望远镜可以探测到的信号是必需的。这一合成工作由MIT博士后Shuo Zhang在化学副教授Alison Wendlandt的研究小组中进行。

然后，研究人员分析了这些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。

使用GBT，研究人员在TMC-1中发现了这些信号。他们还发现，氰基芘占据了云中所有碳的约0.1%，虽然听起来很小，但考虑到太空中存在成千上万种不同类型的含碳分子，这一比例实际上是相当显著的，麦圭尔表示。

“虽然0.1%听起来不是一个很大的数字，但大多数碳都被困在一氧化碳（CO）中，CO是宇宙中仅次于分子氢的第二大丰度分子。如果我们把CO放在一边，那么每几百个剩余的碳原子中就有一个是芘。想象一下，外面有成千上万种不同的分子，几乎所有的分子中都有许多不同的碳原子，而每几百个中就有一个是芘，”他说。“这绝对是一个巨大的丰度。几乎是一个难以置信的碳汇。这是一个星际的稳定岛屿。”

荷兰莱顿天文台的分子天体物理学教授Ewine van Dishoeck称这一发现“出人意料且令人兴奋”。

“这基于他们早期对较小芳香分子的发现，但现在能够跃升到芘家族的发现是巨大的。这不仅证明了相当一部分碳被锁定在这些分子中，还指向了与之前考虑的不同的芳香烃形成途径，”van Dishoeck说道，他并未参与这项研究。

像TMC-1这样的星云最终可能会形成恒星，因为尘埃和气体的团块聚集成更大的天体并开始升温。行星、小行星和彗星则来源于环绕年轻恒星的一些气体和尘埃。科学家无法追溯形成我们自己的太阳系的星际云的历史，但在TMC-1中发现的芘以及在小行星龙宫中发现的大量芘的存在，表明芘可能是我们太阳系中大部分碳的来源。

“我敢说，我们现在拥有的证据是迄今为止最强有力的，直接证明了这种从寒冷云团到太阳系中实际岩石的分子遗传，”麦圭尔说。

研究人员现在计划在TMC-1中寻找更大尺寸的PAH分子。他们还希望探讨TMC-1中发现的芘是否是在寒冷的云团中形成的，或者它是否是来自宇宙其他地方，例如可能是来自环绕垂死恒星的高能燃烧过程。