天文学家在“猫爪星云”中发现了一种太空中从未见过的大分子类型

猫爪星云，也被称为NGC 6334星云，是一个位于天蝎座方向的红色发射星云，距离地球大约5500光年远。这个星云因其独特的形状而得名，其内部的发光气体云看起来像一个巨大的猫爪子。猫爪星云是一个活跃的恒星形成区域，横跨大约50光年的宇宙空间，覆盖的天区面积比满月还要稍大一些。
在猫爪星云中，星际气体和尘埃相互混合并凝结，形成了新恒星，因此它有时也被称为“宇宙托儿所”。天文学家估计，在猫爪星云内可能存在着成千上万颗恒星，其中一些可能是质量接近太阳十倍的亮蓝色恒星，它们仅诞生数百万年。猫爪星云的红色辉光主要来自于星云中发光的氢气，在新生恒星的高温辐射下，这些氢气会发出红色光芒。此外，猫爪星云的图片通常呈现出神奇的粉红色和紫色，这是通过不同颜色的滤镜拍摄并合成得到的图像，其中一个特别的滤镜能够捕捉到氢气发出的光线。

最近，研究人员在猫爪星云中，检测到了一种异常大的、以前未被探测到的分子。这种化合物名为2-甲氧基乙醇，由13个原子组成，是科学家们在4月12日的《天体物理学杂志快报》上报道的，迄今为止在太阳系外识别出的最大的分子之一。

我们常常认为太空是星体间一片空洞的虚无，但这种看似的空无其实充满了化学活动，原子结合和分离，经过数百万年形成恒星和行星。了解甲烷、乙醇和甲醛等简单有机分子是如何形成的，有助于科学家构建恒星和星系如何诞生，以及生命如何开始的画面。

探测构成生命的基本元素其实是一项极具挑战性的任务。想象一下，每个分子都拥有自己的独特“身份证”——也就是它们能够吸收的一系列特定颜色的光，这被称为分子的能量“条形码”。在微观的量子世界里，每当分子吸收了这些特定颜色的光，就意味着它从一个能量状态跳到了另一个能量状态。每个分子都有自己独特的一组能量状态，而这些跳跃可以在这些状态之间发生。

在地球上的实验室里，测量这些分子的能量“条形码”是相对容易的。但是，当天体化学家想要在浩瀚的宇宙中找到同样的分子时，他们就必须在太空中寻找与这些“条形码”相匹配的能量特征。这就像是在星空中寻找一个非常特定的光的模式，需要极高的精确度和先进的技术。

麻省理工学院的天体化学家、第一作者扎卡里·弗里德介绍到：“当我们用射电望远镜观察星际源时，我们可以收集这些空间区域气态分子的旋转信号，因为太空中的分子遵循与地球上相同的量子力学定律，望远镜数据中观察到的旋转跃迁应该与实验室测量的跃迁一致。”

这正是弗里德和他的同事们——由麻省理工学院化学助理教授布雷特·麦奎尔领导的研究团队的一部分——如何探测到2-甲氧基乙醇的方式，这是一种13个原子的分子，其中乙醇的一个氢原子被一个更复杂的甲氧基(O-CH3)团所取代。这种复杂性在太阳系外特别不寻常，迄今为止只检测到六个比13个原子大的“物种”。

“这些分子通常比那些形成途径更简单的较小烃类要少得多，”弗里德说。“此外，这些分子的光谱信号分布在更多的跃迁上，因此使得单个光谱峰值更弱，更难以观察。”但这并不仅仅是运气让团队做出了这一发现；他们还使用了人工智能。该团队此前开发了一种机器学习方法，用于模拟不同空间区域不同分子种类的丰度。“使用这些训练有素的模型，我们可以预测哪些未检测到的分子可能非常丰富，因此是强有力的探测候选者，”弗里德说。

含甲氧基的物种此前已在猫爪星云的一部分，也称为NGC 63341，以及位于地球457光年外的罗氏欧菲奇云团中的双星系统IRAS 16293中被探测到。因此，团队对在哪里寻找新分子有了一个很好的想法。

弗里德首先在实验室测量了2-甲氧基乙醇样本的旋转光谱；他记录了该分子的2172个可能的能量信号。然后，团队使用位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA），一组66个射电望远镜，收集了猫爪星云和IRAS 16293的读数，并分析了2-甲氧基乙醇的独特能量特征的信号。虽然在IRAS 16293中没有检测到相应的能量痕迹，但团队最终从猫爪星云识别出25个匹配的信号，并确认了2-甲氧基乙醇在这一恒星形成区域的存在。

“这使我们能够研究这些源的不同物理条件如何影响可能发生的化学过程，”弗里德说。“我们假设了这种化学分化的几个原因，包括辐射场强度的变化，以及这两个源[在不同阶段]的恒星形成中的不同尘埃温度。”

团队希望这些发现可以为未来识别太空中其他尚未检测到的分子的研究提供信息。

“这些途径的可行性和效率可以与星际源的物理条件紧密相关，”弗里德说。“通过研究哪些其他种类的物种参与了检测到的分子的形成和破坏，我们可以确定其他可能成为探测候选者的物种。”