Phần lớn carbon trong không gian được cho là tồn tại ở dạng các phân tử lớn được gọi là hydrocarbon thơm đa vòng (PAH). Kể từ những năm 1980, bằng chứng ngẫu nhiên đã chỉ ra rằng các phân tử phức được tạo thành dựa trên carbon này có rất nhiều trong không gian, nhưng chúng chưa được quan sát trực tiếp.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do Phó Giáo sư Brett McGuire của MIT dẫn đầu đã xác định được hai PAH đặc biệt trong một vùng không gian được gọi là Đám mây Phân tử Taurus (TMC-1). Các PAH được cho là chỉ hình thành ở nhiệt độ cao trên Trái đất, chúng xuất hiện dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch hoặc vết than trên thực phẩm nướng. Nhưng đám mây phân tử giữa các vì sao mà nhóm nghiên cứu quan sát chưa hình thành sao và nhiệt độ của nó rất thấp, chỉ cao hơn độ không tuyệt đối khoảng 10 độ K.
-
- Kể từ những năm 1980, các nhà thiên văn học đã sử dụng kính thiên văn để phát hiện các tín hiệu hồng ngoại cho thấy sự hiện diện của các phân tử thơm trong không gian, đó là những phân tử thường bao gồm một hoặc nhiều vòng carbon. (Ảnh: Pixabay / CC0 1.0 )
Các nhà nghiên cứu cho biết, khám phá này cho thấy những phân tử này có thể hình thành ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với dự kiến. Điều này có thể khiến các nhà khoa học phải suy nghĩ lại những giả thiết của họ về vai trò của hóa học PAH trong sự hình thành các ngôi sao và hành tinh.
McGuire, một trong những tác giả của nghiên cứu mới, cho biết: “Điều làm cho việc phát hiện này trở nên quan trọng là không chỉ chúng tôi đã xác nhận một giả thuyết 30 năm về việc tạo thành các phân tử, mà bây giờ chúng tôi có thể xem xét tất cả các phân tử khác cũng trong một nguồn này và đặt câu hỏi xem chúng phản ứng như thế nào để tạo thành PAH mà chúng ta đang thấy, cách các PAH có thể phản ứng với những thứ khác để có thể hình thành các phân tử lớn hơn, và những tác động nào có thể có đối với sự hiểu biết của chúng ta về vai trò của các phân tử carbon rất lớn trong việc hình thành các hành tinh và các ngôi sao”.
Ngoài ra, việc nghiên cứu những phân tử này và những phân tử khác tương tự có thể giúp các nhà khoa học hiểu được cách các tiền chất hóa học của sự sống có thể bắt đầu hình thành trong không gian.
McGuire nói: “Carbon là một phần cơ bản của các phản ứng hóa học, đặc biệt là các phản ứng dẫn đến các phân tử thiết yếu của sự sống. Đây là cơ hội cho chúng ta tìm hiểu một kho chứa khổng lồ của chúng”.
-
- Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Kính viễn vọng Green Bank ở Tây Virginia để xác định vị trí các dấu hiệu của hai loại phân tử chứa carbon được gọi là hydrocarbon thơm đa vòng trong không gian. (Ảnh: Brett McGuir)
Các tín hiệu khác biệt trong không gian
Từ những năm 1980, các nhà thiên văn học đã sử dụng kính thiên văn để phát hiện các tín hiệu hồng ngoại cho thấy sự hiện diện của các phân tử thơm, là những phân tử thường bao gồm một hoặc nhiều vòng carbon. Khoảng 10 đến 25% carbon trong không gian được cho là được tìm thấy trong PAH, chứa ít nhất hai vòng carbon, nhưng các tín hiệu hồng ngoại không đủ để xác định các phân tử cụ thể.
McGuire nói: “Điều đó có nghĩa là chúng ta không thể đi sâu vào các cơ chế hóa học chi tiết về cách chúng được hình thành, cách chúng phản ứng với nhau hoặc với các phân tử khác, cách chúng bị phá hủy và toàn bộ chu trình của carbon trong suốt quá trình hình thành các ngôi sao và hành tinh và cuối cùng là sự sống”.
Mặc dù thiên văn học vô tuyến đã hướng tới việc khám phá phân tử trong không gian từ những năm 1960, nhưng kính thiên văn vô tuyến đủ mạnh để phát hiện những phân tử lớn này mới chỉ xuất hiện được hơn một thập kỷ. Những kính thiên văn này có thể thu nhận quang phổ quay của các phân tử, là những dạng ánh sáng đặc biệt mà các phân tử phát ra khi chúng lao qua không gian. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể cố gắng đối sánh các mẫu quan sát được trong không gian với các mẫu mà họ đã nhìn thấy từ các phân tử tương tự trong các phòng thí nghiệm trên Trái đất.
McGuire nói: “Một khi bạn có kết quả trùng khớp đó, bạn biết rằng không có phân tử nào khác tồn tại có thể tạo ra quang phổ chính xác đó. Và, cường độ của các đường và độ mạnh tương đối của các mảnh khác nhau của mô hình cho bạn biết điều gì đó về lượng phân tử ở đó và mức độ nóng hay lạnh của phân tử”.
McGuire và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu TMC-1 trong vài năm vì những quan sát trước đây cho thấy nó rất giàu phân tử carbon phức. Một vài năm trước, một thành viên của nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy những dấu hiệu cho rằng đám mây có chứa benzonitrile - một vòng sáu carbon gắn với một nhóm nitrile (carbon-nitơ). Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng Kính viễn vọng Green Bank, kính thiên văn vô tuyến có thể điều khiển hoàn toàn lớn nhất thế giới, để xác nhận sự hiện diện của benzonitrile.
-
- Carbon đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành các hành tinh, vì vậy gợi ý rằng PAH có thể có mặt ngay cả trong các vùng không gian lạnh, không có sao có thể khiến các nhà khoa học suy nghĩ lại lý thuyết của họ về những hóa chất có sẵn trong quá trình hình thành hành tinh. (Ảnh: Pixabay / CC0 1.0 )
Trong dữ liệu của các nhà khoa học, họ cũng tìm thấy dấu hiệu của hai loại PAH được báo cáo trong nghiên cứu này. Những phân tử đó, có tên gọi là 1-xyanonaphtalen và 2-xyanonaphtalen, bao gồm hai vòng benzen được hợp nhất với nhau với một nhóm nitrile được gắn vào một vòng.
Kelvin Lee, một nghiên cứu viên sau tiến sĩ của MIT, một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Việc phát hiện ra những phân tử này là một bước tiến lớn trong ngành hóa thiên văn. Chúng tôi đang bắt đầu kết nối các điểm giữa các phân tử nhỏ - như benzonitrile - đã được biết là tồn tại trong không gian, với các PAH nguyên khối rất quan trọng trong vật lý thiên văn”.
Việc tìm thấy những phân tử này trong đám mây phân tử lạnh giá, không có sao gợi ý rằng PAH không chỉ là sản phẩm phụ của những ngôi sao sắp chết, mà có thể được tập hợp từ những phân tử nhỏ hơn.
McGuire nói: “Ở nơi chúng tôi tìm thấy chúng, không có ngôi sao nào, vì vậy hoặc chúng đang được tạo thành tại chỗ hoặc chúng là phần thừa ra của một ngôi sao đã chết. Chúng tôi nghĩ rằng đó có thể là sự kết hợp của cả hai..."
Hóa học các phân tử chứa carbon
Carbon đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành các hành tinh, vì vậy gợi ý rằng PAH có thể hiện diện ngay cả trong các vùng không gian lạnh, không có sao có thể khiến các nhà khoa học suy nghĩ lại lý thuyết của họ về những hóa chất có sẵn trong quá trình hình thành hành tinh. Khi PAH phản ứng với các phân tử khác, chúng có thể bắt đầu hình thành các hạt bụi giữa các vì sao, là hạt của các tiểu hành tinh và hành tinh.
McGuire và các đồng nghiệp của ông hiện có kế hoạch nghiên cứu sâu hơn cách các PAH này hình thành, và những loại phản ứng mà chúng có thể trải qua trong không gian. Họ cũng có kế hoạch tiếp tục quét TMC-1 bằng Kính viễn vọng Green Bank mạnh mẽ. Khi họ có những quan sát đó từ đám mây giữa các vì sao, các nhà nghiên cứu có thể cố gắng đối chiếu các dấu hiệu họ tìm thấy với dữ liệu mà họ tạo ra trên Trái đất bằng cách đưa hai phân tử vào một lò phản ứng và cho nổ chúng bằng điện áp cao, phá vỡ chúng thành từng mảnh và để chúng kết hợp lại. Điều này có thể tạo ra hàng trăm phân tử khác nhau, nhiều phân tử chưa từng được nhìn thấy trên Trái đất.
McGuire nói: “Chúng ta cần tiếp tục xem những phân tử nào có trong đám mây phân tử giữa các vì sao này, bởi vì chúng ta càng biết nhiều về kho phân tử này, chúng ta càng có thể bắt đầu cố gắng kết nối các mảnh của chuỗi phản ứng phức tạp này”.
Văn Thiện
Theo Visiontimes
