在太空中的一个遥远气体和尘埃云被发现含有大量的芘，这是一种被归类为富碳的大型分子，属于多环芳香烃（PAH）。这一发现暗示芘可能是我们太阳系中碳的重要贡献者。
来自麻省理工学院的研究团队发现，一个遥远的星际云富含芘，这是一种由碳构成的大分子，属于多环芳香烃（PAH）。
在这个远处的云中检测到的芘，类似于形成我们太阳系的尘埃和气体，暗示芘可能在为我们太阳系提供碳方面发挥了关键作用。这一观点得到了最近发现的支持，表明芘在来自近地小行星龙宫的样本中普遍存在。
麻省理工学院的化学助理教授布雷特·麦奎尔指出：“关于恒星和行星形成的一个主要问题是：原始分子云的化学成分在形成太阳系时继承了多少？我们的观测揭示了起始阶段和结束阶段之间的联系，提供了有力的证据，表明来自古老分子云的材料贡献了我们太阳系内的冰、尘埃和岩石天体。”
由于其对称结构，芘无法通过现有的射电天文学方法进行检测，这些方法已识别出约95%的宇宙分子。相反，研究人员必须识别出氰基芘的一种异构体——氰基芘是芘的一个修饰版本，由于与氰化物反应而失去了对称性。借助位于西弗吉尼亚州的100米格林巴克望远镜（GBT），这种分子在远处的云TMC-1中被观察到。
麦奎尔和不列颠哥伦比亚大学的化学助理教授艾尔萨·库克是详细说明这些发现的研究的资深作者，该研究将发表在Science上。麻省理工学院的博士后研究员加比·温策尔是文章的第一作者。
宇宙中的碳
多环芳香烃（PAHs）是由碳原子环构成的化合物，据信占宇宙中找到的碳的10%至25%。在过去的40年里，研究人员利用红外望远镜找到了表明PAHs存在的特征，但这些技术未能确切地确定特定的PAH类型。
温策尔解释道：“自上世纪80年代PAH假说提出以来，许多人接受了PAHs在宇宙中的存在。它们已在陨石、彗星和小行星样本中被发现，但红外光谱技术并未允许对个别PAH在宇宙中的确定性识别。”
2018年，由麦奎尔领导的团队在TMC-1中发现了苯腈——一种与腈（碳-氮）基团连接的六碳环。他们使用GBT基于分子的旋转光谱来确定宇宙中的分子，这些分子在太空中运动时所发出的独特光谱。2021年，他的团队首次在宇宙中检测到单个PAHs，识别出了两个氰基萘的异构体，它们由两个相连的环构成，其中一个环附有腈基团。
在地球上，PAHs通常是在化石燃料燃烧的副产物中产生的，也可以在烤食物的焦痕中找到。它们在温度仅约10开尔文的TMC-1中的存在表明，它们可以在非常低的温度下形成。
在陨石、小行星和彗星中发现PAHs使许多科学界的人士认为它们是导致我们太阳系形成的碳的主要来源。在2023年，日本研究人员在隼鸟2号任务中从小行星龙宫采集的样本中发现了大量的芘，以及较小的PAHs如萘。
这一发现激励麦奎尔和他的同事们在TMC-1中寻找芘。芘有四个环，比之前在宇宙中发现的任何其他PAHs要大；事实上，它是宇宙中发现的第三大分子，也是通过射电天文学检测到的最大分子。
在太空中搜索这些分子之前，团队在实验室中合成了氰基芘。氰基或腈基团是生成可被射电望远镜检测信号的关键。该合成是在麻省理工学院的博士后研究员张硕在化学副教授艾莉森·温德兰特的指导下进行的。
合成后，研究人员在实验室分析了这些分子发出的信号，发现与在太空中检测到的信号相匹配。
使用GBT，研究人员在TMC-1中发现这些信号，发现氰基芘占云中总碳的约0.1%。尽管这看似微不足道，但考虑到宇宙中存在成千上万种含碳分子时，麦奎尔认为这变得重要。
麦奎尔表示：“虽然0.1%的比例看起来小，但大部分碳以一氧化碳（CO）的形式存在——这是宇宙中第二常见的分子，仅次于分子氢。排除CO之后，每几百个碳原子中就有一个是芘。当考虑到外面存在大数量的不同行碳分子时，其中大多数包含多个碳原子，约每几百个包含一个芘的比例代表了一种极高的丰度——基本上是一个令人印象深刻的碳储备。它就像是一个星际的安全避风港。”
荷兰莱顿天文台的分子天体物理学教授艾维娜·范·迪肖克将这一发现形容为“意外和令人兴奋”。
她详细阐述道：“这建立在他们早些时候发现的小尺寸芳香分子的基础上，但转向芘家族是一个重要的飞跃。这不仅强调了这些分子中存在相当大一部分的碳，也表明了比之前考虑过的不同的芳香类物质形成途径，”范·迪肖克表示，她并不是研究的参与者。
芘的丰富性
像TMC-1这样的星际云是潜在的恒星形成场所，因为尘埃和气体的积聚在一起并产生热量。行星、小行星和彗星是从包围新生恒星的气体和尘埃中形成的。尽管我们无法直接观察到诞生我们太阳系的原始星际云，但在TMC-1中识别出芘及其在小行星龙宫中的丰富性表明，芘可能对我们太阳系中的碳有显著贡献。
麦奎尔坚持认为：“我认为，我们现在拥有的证据是有史以来最强有力的，确认了从冷云直接遗传到我们太阳系中实际岩石的分子继承。”
该团队计划在TMC-1中寻找更大的PAH分子，并希望探讨那里发现的芘是否起源于冷云内部，或是来源于外部，或许是来自与垂死恒星相关的能量反应过程。
这项研究得到了多个来源的支持，包括贝克曼基金会青年研究员奖、施密特家族未来基金、美国国家科学基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会、戈达德天体生物学中心以及NASA行星科学分区内部科学家资金计划。
