Complexe koolstofmoleculen gevonden in de ruimte

Men neemt aan dat de koolstof in de ruimte voornamelijk voorkomt in de vorm van grote moleculen die polycyclische aromatische koolwaterstoffen worden genoemd (PAK’s). Sinds de jaren ’80 is er indirect bewijs dat deze moleculen op grote schaal voorkomen in de ruimte maar ze zijn nog nooit direct waargenomen.

Een onderzoeksteam onder leiding van het Massachusetts Institute of Technology heeft nu twee PAK’s geïdentificeerd in een wolk in de ruimte die bekend staat als de Taurus Moleculaire Wolk (TMC-1). Men dacht dat PAK’s pas konden ontstaan bij hogere temperaturen. Op Aarde zijn ze bijvoorbeeld het bijproduct bij het verbranden van fossiele brandstoffen. Ook worden ze aangetroffen in de kool op gegrilld eten. Maar de interstellaire wolk waar de onderzoekers ze waarnam is nog niet begonnen met het maken van sterren en de temperatuur is er ongeveer 10° boven het absolute nulpunt.

Deze ontdekking suggereert dat deze moleculen al bij veel lagere temperaturen kunnen ontstaan dan eerder werd aangenomen. Het kan ertoe leiden dat wetenschappers hun aannames over de rol van PAK-chemie bij het ontstaan van sterren en planeten moeten heroverwegen.

“Wat de detectie zo belangrijk maakt is dat we niet alleen een hypothese hebben bevestigd waar al 30 jaar aan wordt gewerkt maar dat we ook nu naar alle andere moleculen in deze ene bron kunnen kijken en ons afvragen hoe ze reageren om de PAK’s te vormen die we zien en hoe de PAK’s die we zien mogelijk reageren met andere dingen om mogelijk grotere moleculen te vormen en wat de gevolgen kunnen zijn voor ons begrip van de rol van erg grote koolstofmoleculen bij het ontstaan van planeten en sterren.” aldus McGuire, senior auteur van dit nieuwe onderzoek.

Onderscheidende signalen

Vanaf de jaren ’80 hebben astronomen telescopen gebruikt om infraroodsignalen te detecteren die de aanwezigheid van aromatische moleculen suggereerden. Dit zijn moleculen die doorgaans een of meer koolstofringen bevatten. Aangenomen wordt dat 10 tot 25 procent van de koolstof in de ruimte wordt aangetroffen in PAK’s die tenminste twee koolstofringen hebben. Maar de infraroodsignalen waren niet duidelijk genoeg om specifieke moleculen te detecteren.

“Dat betekent dat we niet in kunnen gaan op de gedetailleerde chemische mechanismen voor hoe deze worden gevormd, hoe ze reageren met elkaar of met andere moleculen, hoe ze worden vernietigd en de hele koolstofcyclus tijdens het proces van het vormen van sterren en planeten en uiteindelijk het leven,” aldus McGuire.

Hoewel radioastronomie sinds de jaren ’60 een werkpaard is voor moleculaire ontdekkingen in de ruimte bestaan radiotelescopen die krachtig genoeg zijn om deze grote moleculen te detecteren pas iets meer dan 10 jaar. Deze telescopen kunnen de rotatiespectra van moleculen oppikken. Dit zijn onderscheidende lichtpatronen die moleculen afgeven terwijl ze door de ruimte tuimelen. Onderzoekers kunnen vervolgens proberen patronen die in de ruimte zijn waargenomen te matchen met patronen die ze hebben gezien van dezelfde moleculen in laboratoria op Aarde.

“Als je eenmaal die overeenkomst in patronen hebt dan weet je dat er geen ander molecuul bestaat dat exact hetzelfde spectrum zou kunnen afgeven. En de intensiteit van de lijnen en de relatieve sterkte van de verschillende delen van het patroon vertellen je iets over hoeveel van het molecuul er is en hoe warm of koud het molecuul is,” zegt McGuire.

McGuire en zijn collega’s bestuderen TMC-1 al enkele jaren omdat eerdere waarnemingen hebben aangetoond dat het rijk is aan complexe koolstofmoleculen. Een paar jaar geleden merkte een lid van het onderzoeksteam aanwijzingen op dat de wolk benzonitril bevat, dit is een ring met zes koolstofatomen die is vastgemaakt aan een nitril (koolstof-stikstof)-groep.

De onderzoekers gebruikten vervolgens de Green Bank Telescope, ’s werelds grootste bestuurbare radiotelescoop, om de aanwezigheid van benzonitril te bevestigen. In hun gegevens vonden ze ook signalen van twee andere moleculen: de PAK’s die in deze studie worden vermeld. Die moleculen, 1-cyanonaftaleen en 2-cyanonaftaleen genaamd, bestaan uit twee aan elkaar gesmolten benzeenringen, met een nitrilgroep aan één ring.

“Het detecteren van deze moleculen is een grote spring voorwaarts in de astrochemie. We beginnen de punten te verbinden tussen kleine moleculen, zoals benzonitril, waarvan bekend is dat ze in de ruimte voorkomen en de monolithische PAK’s die zo belangrijk zijn in de astrofysica,” aldus Kevin Lee, een van de auteurs van deze studie.

Het vinden van deze moleculen in het koude, sterloze TMC-1 suggereert dat PAK’s niet alleen de bijproducten zijn van stervende sterren maar ook kunnen worden samengesteld uit kleinere moleculen.

“Op de plaats waar we ze hebben gevonden is er geen ster dus ofwel ze worden op hun plaats opgebouwd of het zijn de overblijfselen van een dode ster’” aldus McGuire. “We denken dat het waarschijnlijk een combinatie van de twee is. Het bewijs suggereert dat het niet het ene pad is noch exclusief het andere. Dat is nieuw en interessant omdat er echt geen observationeel bewijs was voor dit bottom-up pad.”

Koolstofchemie

Koolstof speelt een cruciale rol bij de vorming van planeten dus de suggestie dat PAK’s zelfs in sterloze, koude gebieden van de ruimte aanwezig kunnen zijn, kan wetenschappers ertoe aanzetten om hun theorieën over chemicaliën die beschikbaar zijn tijdens de vorming van planeten opnieuw te bekijken, zegt McGuire. Als PAK’s reageren met andere moleculen kunnen ze interstellaire stofdeeltjes gaan vormen, de zaden van asteroïden en planeten.

“We moeten onze modellen van hoe de chemie evolueert volledig heroverwegen, uitgaande van onze sterloze kernen, en ook het feit dat ze deze grote aromatische moleculen vormen, meenemen”, zegt hij.

McGuire en zijn collega’s zijn nu van plan om verder te onderzoeken hoe deze PAK’s zijn ontstaan en welke reacties ze in de ruimte kunnen ondergaan. Ze zijn ook van plan om TMC-1 te blijven scannen met de krachtige Green Bank Telescope. Zodra ze die waarnemingen van de interstellaire wolk hebben, kunnen de onderzoekers proberen de handtekeningen die ze vinden te matchen met de gegevens die ze op Aarde genereren door twee moleculen in een reactor te plaatsen en ze met kilovolts aan elektriciteit te bestralen, ze in stukjes te breken en ze te laten recombineren. Dit kan resulteren in honderden verschillende moleculen waarvan er vele nog nooit op Aarde zijn gezien.

“We moeten blijven zoeken welke moleculen aanwezig zijn in deze interstellaire bron want hoe meer we weten over de inhoud hoe meer we kunnen proberen om de stukjes van dit reactieweb met elkaar te verbinden”, zegt McGuire.

Artikel: B.A. McGuire el al., “Detection of two interstellar polycyclic aromatic hydrocarbons via spectral matched filtering,” Science (2021).

Eerste publicatie: 20 maart 2021
Bron: Massachusetts Institute of Technology