Một nhóm do các nhà nghiên cứu tại MIT đứng đầu đã phát hiện ra rằng một đám mây giữa các vì sao xa xôi chứa rất nhiều pyrene, một loại phân tử lớn chứa carbon được gọi là hydrocarbon thơm đa vòng (PAH).
Đám mây phân tử Taurus, nơi có TMC-1, xuất hiện ở phần trên của hình ảnh như một đám mây đen chặn ánh sáng từ các ngôi sao nền khi nhìn từ Charlottesville, VA. Tín dụng: Brett A. McGuire
Việc phát hiện ra pyrene trong đám mây xa xôi này, tương tự như tập hợp bụi và khí cuối cùng đã trở thành hệ mặt trời của chúng ta, cho thấy pyrene có thể là nguồn gốc của phần lớn carbon trong hệ mặt trời của chúng ta. Giả thuyết đó cũng được hỗ trợ bởi một phát hiện gần đây rằng các mẫu được trả về từ tiểu hành tinh Ryugu gần Trái đất chứa một lượng lớn pyrene.
"Một trong những câu hỏi lớn trong quá trình hình thành sao và hành tinh là: Bao nhiêu lượng hóa chất từ đám mây phân tử ban đầu được thừa hưởng và hình thành nên các thành phần cơ bản của hệ mặt trời? Những gì chúng ta đang xem xét là sự khởi đầu và kết thúc, và chúng cho thấy cùng một điều. Đó là bằng chứng khá mạnh mẽ cho thấy vật chất này từ đám mây phân tử ban đầu tìm đường vào băng, bụi và các khối đá tạo nên hệ mặt trời của chúng ta", Brett McGuire, phó giáo sư hóa học tại MIT cho biết.
Do tính đối xứng của nó, bản thân pyrene vô hình đối với các kỹ thuật thiên văn vô tuyến đã được sử dụng để phát hiện khoảng 95% các phân tử trong không gian. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một đồng phân của cyanopyrene, một phiên bản của pyrene đã phản ứng với xyanua để phá vỡ tính đối xứng của nó. Phân tử này đã được phát hiện trong một đám mây xa xôi được gọi là TMC-1, bằng cách sử dụng Kính viễn vọng Green Bank (GBT) 100 mét, một kính viễn vọng vô tuyến tại Đài quan sát Green Bank ở Tây Virginia.
McGuire và Ilsa Cooke, phó giáo sư hóa học tại Đại học British Colombia, là tác giả chính của một bài báo mô tả những phát hiện trên tạp chí Science. Gabi Wenzel, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại MIT trong nhóm của McGuire, là tác giả chính của nghiên cứu này.
Cacbon trong không gian
PAH, chứa các vòng nguyên tử carbon hợp nhất với nhau, được cho là lưu trữ 10 đến 25% carbon tồn tại trong không gian. Hơn 40 năm trước, các nhà khoa học sử dụng kính viễn vọng hồng ngoại bắt đầu phát hiện các đặc điểm được cho là thuộc về các chế độ rung động của PAH trong không gian, nhưng kỹ thuật này không thể tiết lộ chính xác loại PAH nào đang tồn tại.
Wenzel cho biết: "Kể từ khi giả thuyết PAH được phát triển vào những năm 1980, nhiều người đã chấp nhận rằng PAH có trong không gian và chúng được tìm thấy trong các thiên thạch, sao chổi và mẫu tiểu hành tinh, nhưng chúng ta không thể thực sự sử dụng quang phổ hồng ngoại để xác định rõ ràng từng PAH trong không gian".
Năm 2018, một nhóm do McGuire dẫn đầu đã báo cáo về việc phát hiện ra benzonitrile—một vòng sáu carbon gắn vào một nhóm nitrile (carbon-nitrogen)—trong TMC-1. Để thực hiện khám phá này, họ đã sử dụng GBT, có thể phát hiện các phân tử trong không gian bằng quang phổ quay của chúng—các mẫu ánh sáng đặc biệt mà các phân tử phát ra khi chúng lăn qua không gian. Năm 2021, nhóm của ông đã phát hiện ra các PAH riêng lẻ đầu tiên trong không gian: hai đồng phân của cyanonaphthalene, bao gồm hai vòng hợp nhất với nhau, với một nhóm nitrile gắn vào một vòng.
Trên Trái Đất, PAH thường xuất hiện như sản phẩm phụ của quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch và chúng cũng được tìm thấy trong các vết cháy trên thực phẩm nướng. Phát hiện của chúng trong TMC-1, chỉ khoảng 10 kelvin, cho thấy rằng chúng cũng có thể hình thành ở nhiệt độ rất thấp.
Thực tế là PAH cũng được tìm thấy trong thiên thạch, tiểu hành tinh và sao chổi đã khiến nhiều nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng PAH là nguồn gốc của phần lớn carbon hình thành nên hệ mặt trời của chúng ta. Vào năm 2023, các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã tìm thấy một lượng lớn pyrene trong các mẫu được lấy từ tiểu hành tinh Ryugu trong nhiệm vụ Hayabusa2, cùng với các PAH nhỏ hơn bao gồm cả naphthalene.
Phát hiện đó đã thúc đẩy McGuire và các đồng nghiệp của ông tìm kiếm pyrene trong TMC-1. Pyrene, chứa bốn vòng, lớn hơn bất kỳ PAH nào khác đã được phát hiện trong không gian. Trên thực tế, đây là phân tử lớn thứ ba được xác định trong không gian và là phân tử lớn nhất từng được phát hiện bằng thiên văn học vô tuyến.
Trước khi tìm kiếm các phân tử này trong không gian, các nhà nghiên cứu trước tiên phải tổng hợp cyanopyrene trong phòng thí nghiệm. Nhóm cyano hoặc nitrile là cần thiết để phân tử phát ra tín hiệu mà kính viễn vọng vô tuyến có thể phát hiện. Quá trình tổng hợp được thực hiện bởi tiến sĩ sau tiến sĩ MIT Shuo Zhang trong nhóm của Alison Wendlandt, phó giáo sư hóa học của MIT.
Sau đó, các nhà nghiên cứu phân tích các tín hiệu mà các phân tử phát ra trong phòng thí nghiệm, chúng giống hệt với các tín hiệu chúng phát ra trong không gian.
Sử dụng GBT, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy những dấu hiệu này trên khắp TMC-1. Họ cũng phát hiện ra rằng cyanopyrene chiếm khoảng 0,1% tổng lượng carbon tìm thấy trong đám mây, nghe có vẻ nhỏ nhưng lại có ý nghĩa khi xét đến hàng nghìn loại phân tử chứa carbon khác nhau tồn tại trong không gian, McGuire cho biết.
"Mặc dù 0,1% nghe có vẻ không phải là một con số lớn, nhưng hầu hết carbon bị mắc kẹt trong carbon monoxide (CO), phân tử phổ biến thứ hai trong vũ trụ bên cạnh hydro phân tử. Nếu chúng ta để CO sang một bên, thì cứ vài trăm nguyên tử carbon còn lại thì có một nguyên tử nằm trong pyrene. Hãy tưởng tượng hàng nghìn phân tử khác nhau ngoài kia, hầu hết chúng đều có nhiều nguyên tử carbon khác nhau trong đó, và cứ vài trăm nguyên tử thì có một nguyên tử nằm trong pyrene", ông nói. "Đó là một sự phong phú thực sự lớn. Một bồn chứa carbon gần như không thể tin được. Đó là một hòn đảo ổn định giữa các vì sao".
Ewine van Dishoeck, giáo sư vật lý thiên văn phân tử tại Đài quan sát Leiden ở Hà Lan, gọi khám phá này là "bất ngờ và thú vị".
"Nghiên cứu này dựa trên những khám phá trước đó của họ về các phân tử thơm nhỏ hơn, nhưng việc chuyển sang họ pyrene là rất lớn. Nghiên cứu này không chỉ chứng minh rằng một phần đáng kể cacbon bị khóa trong các phân tử này mà còn chỉ ra các con đường hình thành hợp chất thơm khác với những con đường đã được xem xét cho đến nay", van Dishoeck, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết.
Sự phong phú của pyrene
Các đám mây liên sao như TMC-1 cuối cùng có thể tạo ra các ngôi sao, khi các đám bụi và khí kết tụ thành các vật thể lớn hơn và bắt đầu nóng lên. Các hành tinh, tiểu hành tinh và sao chổi hình thành từ một số khí và bụi bao quanh các ngôi sao trẻ. Các nhà khoa học không thể nhìn lại quá khứ về đám mây liên sao đã tạo ra hệ mặt trời của chúng ta, nhưng việc phát hiện ra pyrene trong TMC-1, cùng với sự hiện diện của một lượng lớn pyrene trong tiểu hành tinh Ryugu, cho thấy pyrene có thể là nguồn gốc của phần lớn carbon trong hệ mặt trời của chúng ta.
McGuire cho biết: "Tôi dám khẳng định rằng hiện nay chúng ta có bằng chứng mạnh mẽ nhất từ trước đến nay về sự di truyền phân tử trực tiếp này từ đám mây lạnh cho đến tận những tảng đá thực sự trong hệ mặt trời".
Các nhà nghiên cứu hiện đang có kế hoạch tìm kiếm các phân tử PAH lớn hơn nữa trong TMC-1. Họ cũng hy vọng sẽ điều tra câu hỏi liệu pyrene tìm thấy trong TMC-1 có được hình thành bên trong đám mây lạnh hay nó đến từ nơi khác trong vũ trụ, có thể là từ các quá trình đốt cháy năng lượng cao bao quanh các ngôi sao đang chết
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
