有着枝状脊骨的星际分子

天文学家在靠近银心的气体云中探测到了异丙腈。

宇宙中存在大量的有机分子。科学现在在一片名为人马B2的巨分子云中发现了一种名为异丙腈（i-C₃H₇CN）的分子。这片气体云是银河系中心附近一处活动剧烈的产星区。异丙腈分子中枝状的碳原子与迄今在星际空间发现的其他任何分子都不相同。这一发现开拓了产星区化学的新前沿，并暗示了氨基酸的存在。在氨基酸分子中这样的枝状结构是关键特征。

虽然人们已经在宇宙中发现了不同的分子，不过对于地球生命来说最重要的成分——富含氢元素的含碳分子（也就是有机分子）在形成新恒星的气体云中含量最大。相关研究论文的第一作者、来自马普射电天文所的阿瑙德·贝洛什（Arnaud Belloche）说：“要了解从简单分子逐渐演变为可能形成生命的化学物质的过程，关键是要知道恒星形成过程早期有机物的形成。”

在星际空间中搜索分子的工作始于20世纪60年代，到现在为止，人们已经发现了大约180种分子。每种分子都会发出特定波长特定形态的辐射（也就是光谱），这就好像是指纹一般，可以让人们使用射电望远镜在宇宙中找到它们。

在银河系的中心：背景图展示了860微米波长附近的尘埃辐射，图中结合了APEX望远镜与普朗克空间天文台的数据。有机分子异丙腈（i-C₃H₇CN，左）及其直链同分异构体正丙腈（n-C₃H₇CN，右）都是使用阿塔卡马（Atacama）大型毫米/亚毫米波阵在产星区人马B2中探测到的，这里距离银心人马A*大约有300光年。图片版权：背景图：MPIfR/A. Wei?；分子结构图：University of Cologne/M. Koerber；拼接图：MPIfR/A. Belloche

直到现在，在产星区发现的有机分子都存在一个主要的结构特征：它们由碳原子“脊骨”组成，脊骨多少呈直线状的单枝形态。小组发现的新分子——异丙腈的独特指出是，它内部的碳原子结构分出了单独的一支。论文的合作者、科隆（Cologne）大学的光谱学家霍尔格·缪勒（Holger Müller）在实验室中测量了该分子的光谱指纹，使得人们可以在宇宙中探测到它。他说：“这是人们第一次在星际空间中探测到具有枝状碳元素脊骨的分子。”

不过让小组惊讶的不止是分子的结构，它的数量也有很多，几乎是其直链姊妹分子——正丙腈（n-C₃H₇CN）丰度的一半。小组在数年前已经使用毫米波射电天文研究所（IRAM）的单天线望远镜探测到了后者。论文的合作者、来自康奈尔大学的天体化学键罗宾·加罗德（Robin Garrod）说：“异丙腈很高的丰度说明，枝状分子可能是星际介质中的常态，而非例外。”

小组使用智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵（ALMA）探索了产星区人马B2（Sgr B2）中的分子成分。这一区域靠近银心，距离太阳大约是27000光年，独特之处是富含复杂的星际有机分子。贝洛什解释说：“多亏ALMA具有的新能力，我们可以在2.7到3.6毫秒波段以远胜先前巡天的灵敏度和空间分辨率对人马B2进行全面的光谱巡天。不过这项工作花费的时间只是先前的十分之一。”小组使用光谱巡天的结果系统性地搜索新的星际分子留下的指纹印迹。缪勒说：“通过使用科隆分子光谱数据库作出的预测，我们可以辨认出两类丙腈的发射特征。”人们在ALMA获取的人马B2光谱中明确辨认出了50个由异丙腈产生的特征以及多达120个正丙腈特征。这两种分子都由12个原子组成，它们是迄今在所有产星区中发现的最大分子。

窥探宇宙：ALMA天文台天线上空的银心区域。银心区域位于图中最亮的恒星——心宿二与前景中右起第二架ALMA天线顶端的当中。图片版权：Y. Beletsky (LCO) / ESO

小组构建了计算机模型，来模拟人马B2中分子形成的化学过程。人们发现这两种丙腈与许多其他复杂的有机分子一样，都可以在星际尘埃颗粒的表面有效地形成。加罗德说：“但是模型表明，对于大到足以分叉形成支链结构的分子来说，它们可能是最常见的了。如果能探测到烷基氰系列分子中的下一个成员——正戊腈（n-C₄H₉CN）及其三分枝的同分异构体，我们就可以检验这一观点了。”

贝洛什补充道：“在陨石中发现的氨基酸组分意味着它们可能起源于星际介质。虽然现在我们还没有发现星际氨基酸，星际化学可能会产生一系列的重要分子，最终它们会落到行星表面上。”

马普射电天文所及其毫米和亚毫米波研究部的负责人卡尔·门顿（Karl Menten）说：“异丙腈的发现告诉我们，星际介质中确实可能会存在氨基酸，原因是支链结构是氨基酸分子的关键特征。人们已经在陨石中发现了氨基酸，我们希望未来能在星际介质中发现它们。”他总结道。

（全文完）