太空中发现复杂的碳分子

在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个研究团队做出了一个令人兴奋的发现：他们在遥远的星际云中发现了大量的芘（pyrene）——一种大型的被称为多环芳烃（PAH）的含碳分子。

  难以摧毁，难以察觉  

多环芳烃是由碳原子环构成的有机分子。多环芳烃在星际介质中含量丰富，天文学家认为，太空中有10%到25%的碳是由多环芳烃所储存的。因此，这些分子对于地球上的碳基生命是如何形成的理论中，占有非常重要的地位。

40多年前，科学家开始使用红外望远镜捕捉太空中被认为属于多环芳烃的振动模式的特征，并成功地发现了这些大分子存在的迹象。然而，这种技术并不能准确地揭示这些分子属于哪种多环芳烃。

甚至在很长一段时间里，人们都认为这些分子无法在恒星形成的恶劣环境中生存，因为当一切都沐浴在新生太阳的辐射中时，这些复杂分子会遭到破坏。事实上，由于这个原因，人们一度认为超过两个原子的分子不可能在太空中存在，直到它们被真正探测到。

一个芘分子由碳原子（黑色）和氢原子（白色）组成，含有四个环。化学模型显示，芘一旦形成就很难被破坏。（图/Jynto/Wikimedia Commons, CC BY）

在一项于去年发表的研究中，科学家报道了他们在太阳系小行星——龙宫的样本中发现了大量的芘。他们认为，其中至少有一部分来自太阳系形成之前的冷星际云。这一发现促使研究人员想要在金牛座的金牛分子云（TMC-1）中寻找芘。‍‍

  使用跟踪器  

一直以来，天体物理学家一直缺乏能直接探测芘的工具。由于芘分子本身的对称性，使得它对于已被用来探测太空中约95%的分子的射电望远镜不可见。

在新的研究中，研究人员探测了一种名为1-cyanopyrene（1-氰芘）的分子，这是芘的一种“示踪剂”。它由芘与氰化物发生反应而形成，破坏了芘的对称性，在星际空间中很常见。

研究人员利用位于美国西弗吉尼亚州的绿岸射电望远镜对TMC-1进行了观测，然后发现了存在1-cyanopyrene的信号。通过测量1-cyanopyrene的柱密度，他们估算出芘构成了TMC-1中高达0.1%的碳——这个数字虽然听起来很小，但大多数碳都被困在一氧化碳（CO，宇宙中仅次于氢分子的第二丰富的分子）中。这意味着，除了一氧化碳之外，在太空中有成千上万种不同的分子，而几乎所有的这些分子都含有许多不同的碳原子，每几百个分子中就有一个是芘。

距地球约450光年的金牛分子云的广角视图。它的相对距离使它成为研究恒星形成的理想场所。在背景恒星的映衬下，许多由模糊尘埃组成的云清晰可见。（图/ESO/Digitized Sky Survey 2）

  生命复杂的诞生   

这绝对是一个巨大的、令人难以置信的碳汇。更重要的是，在TMC-1中发现大量的芘表明，在寒冷、黑暗的分子云中，存在着大量的芘，这些分子云后来形成了恒星和太阳系。

科学家们正在逐步重现地球上生命的进化图景。简单的生命（由单个细胞组成）在地球的化石记录中（从地质学和天文学的角度来看）几乎是在地球表面冷却到足以使复杂分子不蒸发之后才出现的。这发生在大约37亿年前，而地球大约诞生于45亿年前。简单生物能够以如此之快的速度出现在化石记录中，意味着它们根本没有足够的时间让化学从仅仅由两三个原子组成的简单分子开始。

在TMC-1中的发现1-cyanopyrene的新发现表明，复杂分子确实可以在太阳系形成时的恶劣条件下存活下来。因此，当芘在37亿年前出现在早期地球上时，它的确能够成为碳基生命形成的支柱。

研究人员现在计划接下来要在TMC-1中寻找更大的多环芳烃分子。他们还希望能探索在TMC-1中发现的芘是在冷云中形成的，还是来自宇宙的其他地方，比如是否有可能来自垂死恒星周围的高能燃烧过程。