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星际空间中发现一种罕见分子,丰度超出理论预测100倍

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甲醇(CH₃OH)是最简单的有机醇,在星际空间中复杂有机分子的形成过程中发挥着关键作用。

最近,一个国际天文学研究团队利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA),首次在太空中探测到了全氘代甲醇(CD₃OD),这种分子中的四个氢原子全部被氢的同位素——氘所取代。更令人意外的是,这种分子的丰度竟然比现有化学模型的预测高出约100倍。

寻找氘代分子

氘代分子为研究恒星形成早期的化学过程提供了重要线索。氘是氢的一种稳定同位素,其原子核除了一个质子,还包含一个中子,因此质量约为普通氢的两倍。氘代分子只能在极其寒冷的条件下形成,而这样的环境正是恒星形成早期的典型特征。

因此,研究分子的氘化程度,可以帮助天文学家追踪分子在恒星和行星形成过程中的化学演化,进而有助于理解其中的化学过程,并最终揭示分子的复杂性是如何从星际分子云传递到行星系统中的。

甲醇是这类研究的核心对象:从含有普通氢原子的常见甲醇,到较为罕见的单氘代和多氘代甲醇,再到全氘代甲醇。然而,迄今为止,对这一系列分子的观测仍存在空白。

为了系统研究年轻恒星周围的复杂有机分子,研究团队开展了名为COMPASS的大型观测项目。研究人员利用ALMA,对11个处于早期形成阶段的、类似太阳的原恒星进行了超过100小时的观测。他们借助不同分子特有的光谱信号,识别并比较它们的化学组成,系统地记录了这些天体周围的化学组成清单。

超出预测100倍

在这11个观测目标中,有一个是位于英仙座分子云、距离地球约1000光年的原恒星IRAS4A2。

通过分析其周围气体的光谱,研究人员首次探测到了全氘代甲醇明确的特征信号。这不仅是这种分子首次在太空中被发现,也是天文学家首次在星际空间中探测到一种四重氘代分子。

研究团队还测定了不同氘代形式甲醇的丰度。然而,当他们将观测结果与现有化学模型进行比较时,却发现了一个令人意外的结果:全氘代甲醇的丰度竟然比理论预测高出约100倍。

目前,没有任何现有模型能够解释如此高的丰度。这意味着,研究人员对甲醇如何在寒冷的星际环境中形成、以及氢原子如何被氘取代的理解,可能仍然缺少某个重要的化学过程。

此外,IRAS4A2的观测数据中还有更多值得探索的发现:研究人员发现了一些尚未识别的谱线。鉴于已经探测到CD₃OD,天文学家推测,其中一些谱线可能来自另外两种多氘代甲醇,即CH₂DOD和CHD₂OD。不过,要最终确认这些分子的存在,仍然需要相关的实验室光谱数据。

仅仅是个开始

全氘代甲醇的发现,只是COMPASS项目首批研究成果之一。除这项研究外,另外6项研究成果也已同期发表,共同揭示了年轻恒星周围复杂有机分子的多样性。这些发现表明,大规模光谱巡天正在为探索星际空间中罕见、甚至此前从未被观测到的化学现象提供新的机会。

但这些成果仅仅是一个开始。目前,研究人员正在开展系统性的实验室研究,测定包括CH₂DOD和CHD₂OD在内的其他氘代甲醇的光谱特征,以进一步识别观测数据中尚未确认的分子,并结合理论模型,更深入地理解这些复杂分子的形成过程。

与此同时,研究团队还将继续分析COMPASS项目的完整数据集,系统比较11个原恒星中的分子组成,试图回答一个更根本的问题:不同原恒星之间的化学差异,究竟源于它们诞生时所处的环境,还是恒星形成过程中的化学演化?

#参考来源:

https://www.mpg.de/26834976/first-detection-of-heavy-methanol-in-space

https://public.nrao.edu/news/cosmic-cocktail-alma-compass/

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202558725

#图片来源:

封面及首图素材:Ekaterina Moerova/MPIfR、NASA、CXC、SSC、NOAO、DSS、https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Methanol=3D-Conformer

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