과학자들은 우주에 있는 탄소의 대부분을 저장하는 분자를 발견했습니다.

MIT 연구진이 이끄는 팀은 먼 거리의 성간 구름에 다환 방향족 탄화수소(PAH)로 알려진 탄소가 포함된 대형 분자인 피렌이 풍부하게 포함되어 있다는 사실을 발견했습니다.

이 먼 구름에서 발견된 피렌은 결국 우리 태양계가 된 먼지와 가스의 수집과 유사하며, 피렌이 우리 태양계의 탄소의 대부분을 공급했을 수 있음을 시사합니다. 이 가설은 또한 지구 근처 소행성 류구에서 돌아온 샘플에 대량의 피렌이 포함되어 있다는 최근의 발견에 의해 뒷받침됩니다.

"별과 행성 형성에서 가장 큰 의문 중 하나는 이렇습니다. 초기 분자 구름의 화학 물질 재고 중 얼마나 많은 것이 유전되어 태양계의 기본 구성 요소를 형성하는가? 우리가 보고 있는 것은 시작과 끝이며, 그들은 같은 것을 보여줍니다. 이것은 초기 분자 구름의 이 물질이 우리 태양계를 구성하는 얼음, 먼지, 암석체로 들어간다는 매우 강력한 증거입니다." MIT의 화학 조교수인 브렛 맥과이어가 말합니다.

피렌 자체는 대칭성 때문에 우주에서 분자의 약 95%를 감지하는 데 사용된 전파 천문학 기술에서는 보이지 않습니다. 대신 연구자들은 시안화물과 반응하여 대칭성을 깨뜨린 피렌의 한 종류인 시아노피렌의 이성질체를 감지했습니다. 이 분자는 웨스트버지니아주 그린뱅크 천문대의 전파 망원경인 100m 그린뱅크 망원경(GBT)을 사용하여 TMC-1이라는 먼 구름에서 감지되었습니다.

McGuire와 University of British Colombia의 화학 조교수인 Ilsa Cooke는 Science 에 게재될 연구 결과를 설명하는 논문의 수석 저자입니다. McGuire 그룹의 MIT 포스트닥인 Gabi Wenzel이 연구의 주 저자입니다.

우주 속의 탄소

탄소 원자의 고리가 융합된 PAH는 우주에 존재하는 탄소의 10~25%를 저장하는 것으로 알려져 있습니다. 40년 이상 전에 적외선 망원경을 사용하는 과학자들은 우주에서 PAH의 진동 모드에 속하는 것으로 생각되는 특징을 감지하기 시작했지만, 이 기술은 정확히 어떤 유형의 PAH가 존재하는지 밝혀낼 수 없었습니다.

"PAH 가설이 1980년대에 개발된 이래로 많은 사람들이 PAH가 우주에 존재한다는 사실을 받아들였으며, 운석, 혜성, 소행성 샘플에서 PAH가 발견되었지만, 적외선 분광법을 사용하여 우주에 있는 개별 PAH를 명확하게 식별할 수는 없습니다."라고 Wenzel은 말합니다.

2018년, McGuire가 이끄는 팀은 TMC-1에서 니트릴(탄소-질소) 그룹에 부착된 6탄소 고리인 벤조니트릴을 발견했다고 보고했습니다. 이 발견을 위해 그들은 GBT를 사용했는데, 이는 회전 스펙트럼(분자가 공간을 굴러다닐 때 내는 독특한 빛의 패턴)으로 우주의 분자를 감지할 수 있습니다. 2021년, 그의 팀은 우주에서 최초의 개별 PAH를 감지했습니다. 시아노나프탈렌의 두 이성질체로, 두 개의 고리가 융합되어 있고, 한 고리에 니트릴 그룹이 부착되어 있습니다.

지구에서 PAH는 일반적으로 화석 연료를 연소할 때 발생하는 부산물로 발생하며, 구운 음식의 탄 자국에서도 발견됩니다. 약 10켈빈에 불과한 TMC-1에서의 발견은 매우 낮은 온도에서도 형성될 수 있음을 시사했습니다.

운석, 소행성, 혜성에서도 PAH가 발견되었다는 사실은 많은 과학자들이 PAH가 우리 태양계를 형성한 탄소의 대부분 원천이라는 가설을 세우게 했습니다. 2023년 일본의 연구자들은 하야부사2 임무 중 소행성 류구에서 반환된 샘플에서 대량의 피렌과 나프탈렌을 포함한 더 작은 PAH를 발견했습니다.

그 발견은 McGuire와 그의 동료들이 TMC-1에서 피렌을 찾도록 동기를 부여했습니다. 4개의 고리를 포함하는 피렌은 우주에서 감지된 다른 모든 PAH보다 큽니다. 사실, 그것은 우주에서 확인된 세 번째로 큰 분자이며, 전파 천문학을 사용하여 감지된 가장 큰 분자입니다.

우주에서 이 분자들을 찾기 전에 연구자들은 먼저 실험실에서 시아노피렌을 합성해야 했습니다. 시아노 또는 니트릴 그룹은 분자가 전파 망원경이 감지할 수 있는 신호를 방출하는 데 필요합니다. 합성은 MIT 화학과 조교수인 Alison Wendlandt의 그룹에 속한 MIT 포스트닥 Shuo Zhang이 수행했습니다.

그런 다음 연구원들은 실험실에서 분자가 방출하는 신호를 분석했는데, 그 신호는 우주에서 방출하는 신호와 정확히 동일했습니다.

연구자들은 GBT를 사용하여 TMC-1 전체에서 이러한 시그니처를 발견했습니다. 그들은 또한 시아노피렌이 구름에서 발견된 모든 탄소의 약 0.1%를 차지한다는 것을 발견했는데, 이는 적게 들리지만 우주에 존재하는 수천 가지 유형의 탄소 함유 분자를 고려하면 상당한 수치라고 McGuire는 말합니다.

"0.1%는 큰 숫자가 아닌 것처럼 들리지만, 대부분의 탄소는 분자 수소 다음으로 우주에서 두 번째로 풍부한 분자인 일산화탄소(CO)에 갇혀 있습니다. CO를 제쳐 놓으면, 남은 탄소 원자 몇 백 개 중 하나가 피렌에 있습니다. 세상에는 수천 개의 다른 분자가 있는데, 거의 대부분이 여러 다른 탄소 원자를 포함하고 있고, 수백 개 중 하나가 피렌에 있습니다."라고 그는 말합니다. "정말 엄청난 양입니다. 거의 믿을 수 없을 정도로 탄소가 가라앉아 있습니다. 안정성이 있는 별간 섬입니다."

네덜란드 라이덴 천문대의 분자 천체물리학 교수인 에비네 반 디쇼크는 이 발견을 "예상치 못한 흥미로운" 일이라고 불렀습니다.

"이것은 더 작은 방향족 분자에 대한 그들의 이전 발견을 기반으로 하지만, 지금 피렌 계열로 도약하는 것은 엄청납니다. 그것은 탄소의 상당 부분이 이러한 분자에 갇혀 있다는 것을 보여줄 뿐만 아니라, 지금까지 고려된 것과 다른 방향족 화합물의 형성 경로를 지적합니다." 연구에 참여하지 않은 반 디쇼크가 말했습니다.

피렌이 풍부하다

TMC-1과 같은 성간 구름은 먼지와 가스 덩어리가 더 큰 천체로 합쳐지고 가열되기 시작하면서 결국 별을 낳을 수 있습니다. 행성, 소행성, 혜성은 어린 별을 둘러싼 일부 가스와 먼지에서 발생합니다. 과학자들은 우리 태양계를 낳은 성간 구름을 과거로 되돌릴 수 없지만 TMC-1에서 피렌을 발견한 것과 소행성 류구에서 대량의 피렌이 존재한다는 사실은 피렌이 우리 태양계의 많은 탄소의 근원이었을 수 있음을 시사합니다.

맥과이어는 "이제 우리는 차가운 구름에서부터 태양계의 실제 암석에 이르기까지 이러한 직접적인 분자적 유전에 대한 가장 강력한 증거를 확보했다고 감히 말하고 싶습니다."라고 말했습니다.

연구자들은 이제 TMC-1에서 훨씬 더 큰 PAH 분자를 찾을 계획입니다. 그들은 또한 TMC-1에서 발견된 피렌이 차가운 구름 속에서 형성되었는지, 아니면 죽어가는 별을 둘러싼 고에너지 연소 과정에서 우주의 다른 곳에서 왔는지에 대한 의문을 조사하기를 희망합니다.

이 연구는 Beckman Foundation Young Investigator Award, Schmidt Family Futures Foundation, 미국 국립과학재단, 캐나다 자연과학 및 공학연구위원회, Goddard Center for Astrobiology, NASA 행성과학부 내부과학자 자금 지원 프로그램에서 일부 자금을 지원받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241024145311.htm