U hladnim i tamnim molekularnim oblacima, u kojima se temperatura spušta gotovo do apsolutne nule, mogu nastajati složene ugljikove molekule. Nova studija pokazuje kako bi jedan takav spoj mogao nastati bez zagrijavanja plina. Istraživači su računalnim proračunima predložili kemijski put kojim bi mogla nastati molekula 1H-phenalene, spoja formule C13H10 koji pripada skupini policikličkih aromatskih ugljikovodika.
Model je važan jer je ta molekula već identificirana u oblaku TMC-1, udaljenom području u kojem nastaju zvijezde. Ondje temperatura iznosi svega oko deset kelvina, odnosno približno -263 Celzijeva stupnja. U takvim uvjetima kemijske reakcije odvijaju se sporo, a mnogi modeli nastanka velikih ugljikovih molekula dosad su računali na topliji plin.
Put do molekule u hladnom oblaku
Alexander M. Mebel s Međunarodnog sveučilišta Florida i Ralf I. Kaiser sa Sveučilišta Hawaiʻi proučili su taj problem u radu objavljenom u časopisu The Journal of Physical Chemistry A. Umjesto laboratorijskog pokusa, proveli su kvantno-kemijske proračune i statističku procjenu brzine mogućih reakcija.
Predloženi put počinje molekulom 1-vinilnaftalena i radikalom CH. Radikal je vrlo reaktivna čestica sastavljena od jednog atoma ugljika i jednog atoma vodika. Kada se spoji s 1-vinilnaftalenom, atomi se mogu prerasporediti tako da se u početnoj strukturi zatvori još jedan ugljikov prsten.
Istraživači taj slijed nazivaju mehanizmom MACA, prema engleskoj kratici za dodavanje čestice CH, zatvaranje prstena i aromatizaciju. U završnom koraku nastaje stabilna aromatska struktura. Tako nastaje 1H-phenalene (C13H10), spoj s trima povezanim prstenovima.
Reakcija ne treba toplinski poticaj
Proračuni pokazuju da reakcija nema početnu energetsku barijeru. To znači da se reaktivne čestice ne moraju najprije zagrijati kako bi započele opisani proces. Istodobno se oslobađa energija, pa je reakcija u kemijskom smislu egzotermna.
To ne znači da će se svaki susret 1-vinilnaftalena i radikala CH završiti nastankom nove molekule. U oblaku moraju postojati oba početna spoja, moraju doći dovoljno blizu, a konačan doprinos reakcije ovisi i o drugim procesima koji ih stvaraju ili razgrađuju. Studija opisuje mogući put nastanka, ali ne tvrdi da je njime objašnjena sva količina molekule u TMC-1.
Kako je molekula pronađena
Molekula 1H-phenalene u TMC-1 nije snimljena izravno. Astronomi su je prepoznali po radijskim signalima koje emitira pri prijelazima između različitih rotacijskih stanja. U spektru oblaka izdvojena je 71 spektralna linija, a raspored svih tih linija podudara se s laboratorijskim mjerenjima i teorijskim izračunima.
Identifikacija molekule u TMC-1 opisana je u radu objavljenom u časopisu Astronomy & Astrophysics. Opaženi signali odgovaraju upravo toj molekuli. Ako se molekula nalazi u tako hladnom oblaku, njezin nastanak mora biti moguć i bez visokih temperatura kakve vladaju u blizini nekih zvijezda.
Jedan od više mogućih kemijskih puteva
Policiklički aromatski ugljikovodici skupina su spojeva kojoj pripada i ova molekula. Astronomi ih pronalaze u međuzvjezdanim oblacima, oko starih zvijezda i u materijalu od kojeg nastaju novi planetarni sustavi. Ti spojevi mogu utjecati na zagrijavanje i hlađenje međuzvjezdane tvari, dok se na površinama kozmičke prašine mogu stvarati druge organske molekule. Dio takvog materijala može završiti u asteroidima i planetima.
Za razliku od hladnog TMC-1, u toplijim područjima oko starih zvijezda ti spojevi mogu nastajati drukčijim kemijskim procesima. Ranije laboratorijsko istraživanje pokazalo je kako se takve strukture mogu brzo povećavati u vrućem plinu. Nova studija sada predlaže mehanizam koji bi mogao djelovati u mnogo hladnijem okruženju.
Sljedeći korak bit će usporediti predviđene brzine reakcije s izmjerenim količinama te molekule i drugih spojeva u oblaku TMC-1. Ako se kemijski model bude podudarao s opservacijama, astronomi će bolje razumjeti kako se jednostavniji ugljikovi spojevi pretvaraju u veće strukture prije nastanka zvijezda i planeta. Ovi proračuni pokazuju da hladnoća sama po sebi ne isključuje složenu kemiju ugljika.
