由麻省理工学院的研究人员领导的一个研究小组发现，遥远的星际云中含有大量的芘，这是一种大型的含碳分子，被称为多环芳烃（PAH）。
在这个遥远的云团中发现了芘，这与最终形成我们太阳系的尘埃和气体的集合类似，表明芘可能是我们太阳系中大部分碳的来源。最近的一项发现也支持了这一假设，即从近地小行星龙宫（Ryugu）带回的样本含有大量的芘。
“恒星和行星形成的一个大问题是：有多少来自早期分子云的化学库存被继承并形成了太阳系的基本组成部分？”我们看到的是开始和结束，它们显示的是相同的东西。麻省理工学院化学助理教授布雷特·麦圭尔说：“这是非常有力的证据，表明这些来自早期分子云的物质进入了构成我们太阳系的冰、尘埃和岩石体。”
由于它的对称性，芘本身是不可见的射电天文学技术已经被用来探测太空中大约95%的分子。相反，研究人员发现了一种氰化芘的异构体，这种异构体与氰化物发生反应，破坏了芘的对称性。这种分子是用位于西弗吉尼亚州格林班克天文台的100米格林班克射电望远镜（GBT）在一个名为TMC-1的遥远云中探测到的。
McGuire和英属哥伦比亚大学（University of British columbia）化学助理教授伊尔莎·库克（Ilsa Cooke）是一篇描述这一发现的论文的资深作者，该论文今天发表在《科学》（Science）杂志上。Gabi Wenzel是McGuire小组的麻省理工学院博士后，是这项研究的主要作者。
太空中的碳
多环芳烃由碳原子组成的环融合在一起，据信储存了太空中存在的10%到25%的碳。40多年前，科学家们开始使用红外望远镜探测太空中被认为属于多环芳烃振动模式的特征，但这种技术无法准确揭示那里存在哪种类型的多环芳烃。
温泽尔说：“自从20世纪80年代多环芳烃假说被提出以来，许多人已经接受了多环芳烃在太空中的存在，它们已经在陨石、彗星和小行星样本中被发现，但我们不能真正使用红外光谱来明确地识别太空中的单个多环芳烃。”
2018年，由McGuire领导的一个团队报告称，在TMC-1中发现了苯腈——一种附着在腈（碳氮）基上的六碳环。为了实现这一发现，他们使用了GBT，它可以通过分子的旋转光谱来探测空间中的分子——分子在空间中翻滚时发出的独特的光模式。2021年，他的团队在太空中发现了第一个单独的多环芳烃：氰化萘的两个异构体，由两个环融合在一起，一个环上附着一个腈基。
在地球上，多环芳烃通常是燃烧化石燃料的副产品，在烤过的食物上也有烧焦的痕迹。他们在TMC-1上的发现表明，它们也有可能在非常低的温度下形成。TMC-1的温度只有大约10开尔文。
在陨石、小行星和彗星中也发现了多环芳烃，这一事实使许多科学家推测，多环芳烃是构成我们太阳系的大部分碳的来源。2023年，日本的研究人员在隼鸟2号任务期间从小行星龙宫带回的样本中发现了大量的芘，以及包括萘在内的较小的多环芳烃。
这一发现促使McGuire和他的同事们在TMC-1中寻找芘。芘含有四个环，比在太空中检测到的任何其他多环芳烃都要大。事实上，它是在太空中发现的第三大分子，也是利用射电天文学探测到的最大分子。
在太空中寻找这些分子之前，研究人员首先必须在实验室中合成氰芘。氰基或腈基是分子发出射电望远镜可以探测到的信号所必需的。该合成是由麻省理工学院博士后张硕（Shuo Zhang）在麻省理工学院化学副教授艾莉森·温德兰（Alison Wendlandt）的小组中完成的。
然后，研究人员分析了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中发现了这些特征。他们还发现，在云中发现的所有碳中，氰芘约占0.1%，这听起来很小，但当考虑到存在于太空中的数千种不同类型的含碳分子时，意义重大，McGuire说。
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，这是宇宙中仅次于氢分子的第二丰富的分子。如果我们把一氧化碳放在一边，每几百个左右剩余的碳原子中就有一个是芘。想象一下，那里有成千上万种不同的分子，几乎所有的分子都含有许多不同的碳原子，而每几百个分子中就有一个是芘。”“这绝对是一个巨大的财富。几乎令人难以置信的碳汇。这是一个星际稳定岛。”
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“出乎意料，令人兴奋”。
“它建立在他们早期发现的更小的芳香分子的基础上，但现在对芘家族的飞跃是巨大的。它不仅证明了相当一部分碳被锁在这些分子中，而且还指出了迄今为止所认为的不同的芳烃形成途径，”van Dishoeck说，他没有参与这项研究。
丰富的芘
像TMC-1这样的星际云可能最终会形成恒星，因为尘埃和气体团块会聚集成更大的物体，并开始升温。行星、小行星和彗星都是由年轻恒星周围的一些气体和尘埃形成的。科学家们无法回溯到形成我们太阳系的星际云，但在TMC-1中发现了芘，以及在小行星龙宫（Ryugu）上发现了大量的芘，这表明，芘可能是我们太阳系中大部分碳的来源。
麦圭尔说：“我敢大胆地说，我们现在有了最有力的证据，证明这种直接的分子遗传从冷云一直到太阳系的实际岩石。”
研究人员现在计划在TMC-1中寻找更大的多环芳烃分子。他们还希望调查在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，可能是来自垂死恒星周围的高能燃烧过程。
这项研究得到了贝克曼基金会青年研究者奖、施密特家族未来基金会、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和美国宇航局行星科学部内部科学家资助计划的部分资助。
