研究揭示了恒星托儿所内部的复杂化学反应

一个国际研究小组发现了宇宙“恒星苗圃”中分子化学进化的关键一步。在太空中这些巨大的冷气体和尘埃云中，数万亿个分子在数百万年的时间里旋转在一起。这些星际云的坍缩最终产生了年轻的恒星和行星。

像人体一样，恒星苗圃含有大量的有机分子，这些分子主要由碳原子和氢原子组成。该小组于6月<>日发表在《自然天文学》杂志上的研究结果揭示了这些云层内部某些大的有机分子是如何形成的。这是碳原子经历的漫长化学旅程中的一小步 - 在垂死的恒星的心脏中形成，然后成为行星的一部分，地球上的生物体，也许更远的地方。

“在这些冷分子云中，你正在创造第一个最终形成恒星和行星的构建块，”大气与空间物理实验室(LASP)研究助理兼科罗拉多大学博尔德分校化学系助理教授Jordy Bouwman说。

在这项新研究中，Bouwman和他的同事们特别深入研究了一个恒星苗圃：金牛座分子云(TMC-1)。这个区域位于金牛座，距离地球大约440光年(超过2万亿英里)。这种化学复杂的环境是天文学家所说的“吸积无星核心”的一个例子。它的云已经开始坍塌，但科学家尚未检测到其中出现的胚胎恒星。

该团队的发现取决于一种称为邻苄炔的看似简单的分子。利用地球上的实验和计算机模拟，研究人员表明，这种分子可以很容易地与太空中的其他分子结合，形成各种较大的有机分子。

换句话说，小积木变成了大积木。

而且，Bouwman说，这些反应可能表明恒星托儿所比科学家认为的要有趣得多。

“我们才刚刚开始真正了解我们如何从这些小构建块到更大的分子，”他说。“我认为我们会发现这种化学反应比我们想象的要复杂得多，即使在恒星形成的最早阶段也是如此。

命运的观察

Bouwman是一位宇宙化学家，研究一个融合化学和天文学的领域，以了解太空深处发生的搅动化学反应。

他说，从表面上看，冷分子云似乎不像化学活动的温床。顾名思义，这些银河原始汤往往是寒冷的，通常徘徊在-263摄氏度(约-440华氏度)左右，仅比绝对零度高10度。大多数反应至少需要一点热量才能启动。

但不管冷与否，复杂的化学似乎正在恒星托儿所里发生。特别是TMC-1含有令人惊讶的浓度相对较大的有机分子，其名称如富维烯和1-和2-乙炔基环戊二烯。化学家称它们为“五元环化合物”，因为它们每个都包含一个形状像五边形的碳原子环。

“研究人员一直在TMC-1中检测这些分子，但它们的起源尚不清楚，”Bouwman说。

现在，他和他的同事们认为他们有一个答案。

2021 年，研究人员在西班牙使用 Yebes 40 米射电望远镜发现了一种隐藏在 TMC-1 气体云中的意想不到的分子：邻苯炔。Bouwman解释说，这种小分子由六个碳原子和四个氢原子组成的环组成，是化学界的外向者之一。它很容易与许多其他分子相互作用，并且不需要大量的热量。

“反应没有障碍，”Bouwman说。“这意味着它有可能在寒冷的环境中驱动复杂的化学反应。

查明罪魁祸首

为了弄清楚TMC-1中发生了什么样的复杂化学反应，Bouwman和他的同事 - 来自美国，德国，荷兰和瑞士 - 转向了一种称为“光电子光离子巧合光谱”的技术。该团队使用称为同步加速器光源的巨型设施产生的光来识别化学反应的产物。他们发现邻苯炔和甲基自由基是分子云的另一种常见成分，很容易结合形成更大，更复杂的有机化合物。

“我们知道我们正在做一些好事，”Bouwman说。

然后，该团队利用计算机模型来探索邻苯炔在太空深处几光年的恒星苗圃中的作用。结果很有希望：这些模型产生的气体云含有与天文学家使用望远镜在TMC-1中观察到的有机分子混合物大致相同的气体云。

换句话说，邻苯炔似乎是驱动这些恒星苗圃内发生的气相有机化学的主要候选者，Bouwman说。

他补充说，科学家们还有很多工作要做，以充分了解TMC-1中发生的所有反应。例如，他想研究太空中的有机分子如何拾取氮原子 - 地球上生物体的DNA和氨基酸的关键成分。

“我们的发现可能只是改变了我们对最初形成新恒星和新行星的成分的看法，”Bouwman说。

这篇新论文的共同作者包括荷兰莱顿大学，美国本笃会学院，德国维尔茨堡大学和瑞士保罗谢勒研究所的研究人员。

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