Les observations radio d’un nuage dense et froid de gaz moléculaire révèlent plus d’une douzaine de molécules inattendues –

«Nous avions toujours pensé que les hydrocarbures aromatiques polycycliques se formaient principalement dans l’atmosphère des étoiles mourantes», a déclaré Brett McGuire, professeur adjoint de chimie au Massachusetts Institute of Technology et chercheur principal du projet pour les observations du GOTHAM, ou Green Bank Telescope (GBT) of TMC-1: Hunting Aromatic Molecules. “Dans cette étude, nous les avons trouvés dans des nuages ​​froids et sombres où les étoiles n’ont même pas encore commencé à se former.”

Les molécules aromatiques et les HAP – abréviation d’hydrocarbures aromatiques polycycliques – sont bien connus des scientifiques. Les molécules aromatiques existent dans la composition chimique des êtres humains et d’autres animaux, et se trouvent dans les aliments et les médicaments. De plus, les HAP sont des polluants formés par la combustion de nombreux combustibles fossiles et font même partie des cancérogènes formés lorsque les légumes et la viande sont carbonisés à des températures élevées. «On pense que les hydrocarbures aromatiques polycycliques contiennent jusqu’à 25% du carbone de l’univers», a déclaré McGuire, qui est également associé de recherche au Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian (CfA). “Maintenant, pour la première fois, nous avons une fenêtre directe sur leur chimie qui nous permettra d’étudier en détail comment ce réservoir massif de carbone réagit et évolue à travers le processus de formation des étoiles et des planètes.”

Les scientifiques soupçonnent la présence de HAP dans l’espace depuis les années 1980 mais la nouvelle recherche, détaillée dans neuf articles publiés au cours des sept derniers mois, fournit la première preuve définitive de leur existence dans les nuages ​​moléculaires. Pour rechercher les molécules insaisissables, l’équipe a concentré la radioastronomie gigantesque de 100 m GBT sur le nuage moléculaire du Taureau, ou TMC-1 – un grand nuage pré-stellaire de poussière et de gaz situé à environ 450 années-lumière de la Terre qui un jour. s’effondrer sur lui-même pour former des étoiles – et ce qu’ils ont trouvé était étonnant: non seulement les modèles scientifiques acceptés étaient incorrects, mais il se passait beaucoup plus de choses dans TMC-1 que l’équipe n’aurait pu l’imaginer.

«À partir de décennies de modélisation précédente, nous pensions que nous avions une assez bonne compréhension de la chimie des nuages ​​moléculaires», a déclaré Michael McCarthy, astrochimiste et directeur adjoint par intérim de CfA, dont le groupe de recherche a effectué les mesures de laboratoire précises qui ont permis la plupart d’entre eux. détections astronomiques à établir en toute confiance. “Ce que ces nouvelles observations astronomiques montrent, c’est que ces molécules ne sont pas seulement présentes dans les nuages ​​moléculaires, mais à des quantités qui sont des ordres de grandeur plus élevées que ce que les modèles standard prédisent.”

McGuire a ajouté que des études antérieures ont révélé seulement qu’il y avait des molécules de HAP, mais pas lesquelles spécifiques. «Depuis environ 30 ans, les scientifiques ont observé la signature globale de ces molécules dans notre galaxie et dans d’autres galaxies dans l’infrarouge, mais nous ne pouvions pas voir quelles molécules constituaient cette masse. Avec l’ajout de la radioastronomie, au lieu de voir cette grande masse que nous ne pouvons pas distinguer, nous voyons des molécules individuelles. “

À leur grande surprise, l’équipe n’a pas découvert qu’une seule nouvelle molécule se cachait dans TMC-1. Détaillé dans plusieurs articles, l’équipe a observé le 1-cyanonaphtalène, le 1-cyano-cyclopentadiène, HC11N, le 2-cyanonaphtalène, le vinylcyanoacétylène, le 2-cyano-cyclopentadiène, le benzonitrile, le trans- (E) -cyanovinylacétylène, HC4NC et le cyanure de propargyle, entre autres. «C’est comme entrer dans une boutique et parcourir l’inventaire sur le front-end sans jamais savoir qu’il y avait une arrière-boutique. Nous collectons des petites molécules depuis environ 50 ans et maintenant nous avons découvert qu’il y a une porte dérobée. Quand nous avons ouvert cette porte et regardé à l’intérieur, nous avons trouvé cet entrepôt géant de molécules et de chimie auquel nous ne nous attendions pas », a déclaré McGuire. “Il était là, tout le temps, tapi juste au-delà de l’endroit où nous avions regardé auparavant.”

McGuire et d’autres scientifiques du projet GOTHAM «recherchent» des molécules dans TMC-1 depuis plus de deux ans, après la détection initiale du benzonitrile par McGuire en 2018. Les résultats des dernières observations du projet pourraient avoir des ramifications en astrophysique pour les années à venir. . “Nous sommes tombés sur un tout nouvel ensemble de molécules différent de tout ce que nous avons pu détecter auparavant, et cela va complètement changer notre compréhension de la façon dont ces molécules interagissent les unes avec les autres. Cela a des ramifications en aval”, a déclaré McGuire, ajoutant que finalement ces molécules deviennent suffisamment grosses pour commencer à s’agréger dans les graines de poussière interstellaire. «Lorsque ces molécules deviennent suffisamment grosses pour être les graines de poussières interstellaires, elles ont alors la possibilité d’affecter la composition des astéroïdes, des comètes et des planètes, les surfaces sur lesquelles se forment les glaces, et peut-être à leur tour même les endroits où les planètes forme dans les systèmes stellaires. “

La découverte de nouvelles molécules dans le TMC-1 a également des implications pour l’astrochimie, et bien que l’équipe n’ait pas encore toutes les réponses, les ramifications ici aussi dureront des décennies. “Nous sommes passés d’une chimie du carbone unidimensionnelle, qui est très facile à détecter, à une véritable chimie organique dans l’espace dans le sens où les molécules nouvellement découvertes sont celles qu’un chimiste connaît et reconnaît et peut produire sur Terre”, a déclaré McCarthy. “Et ce n’est que la pointe de l’iceberg. Que ces molécules organiques y aient été synthétisées ou transportées là-bas, elles existent, et cette connaissance à elle seule est une avancée fondamentale dans le domaine.”

Avant le lancement de GOTHAM en 2018, les scientifiques avaient catalogué environ 200 molécules individuelles dans le milieu interstellaire de la Voie lactée. Ces nouvelles découvertes ont incité l’équipe à se demander, et à juste titre, ce qui existe. «Ce qui est étonnant à propos de ces observations, de cette découverte et de ces molécules, c’est que personne n’avait regardé, ni regardé assez dur», a déclaré McCarthy. “Cela vous fait vous demander ce qu’il y a d’autre là-bas que nous n’avons tout simplement pas recherché.”

Cette nouvelle chimie aromatique que les scientifiques découvrent n’est pas isolée du TMC-1. Une enquête complémentaire à GOTHAM, connue sous le nom d’ARKHAM – A Rigorous K / Ka-Band Survey Hunting for Aromatic Molecules – a récemment trouvé du benzonitrile dans plusieurs objets supplémentaires. «Incroyablement, nous avons trouvé du benzonitrile dans chacun des quatre premiers objets observés par ARKHAM», a déclaré Andrew Burkhardt, boursier postdoctoral submillimétrique au CfA et co-chercheur principal pour GOTHAM. «Ceci est important car alors que GOTHAM repousse la limite de ce que la chimie que nous pensions possible dans l’espace, ces découvertes impliquent que les choses que nous apprenons dans TMC-1 sur les molécules aromatiques pourraient être largement appliquées aux nuages ​​sombres n’importe où. les lieux de naissance initiaux des étoiles et des planètes. Ainsi, ces molécules aromatiques auparavant invisibles devront également être considérées à chaque étape ultérieure du chemin vers la création d’étoiles, de planètes et de systèmes solaires comme le nôtre. “