คลังสารประกอบอินทรีย์เชิงซ้อนในอวกาศ

 เชื่อกันว่าคาร์บอนส่วนมากที่พบในอวกาศนั้นอยู่ในรูปของโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เรียกว่า โพลิไซคลิก อะโรมาติก ไฮโดรคาร์บอน(PAHs) นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา ก็มีหลักฐานแวดล้อมที่บ่งชี้ว่าโมเลกุลเหล่านี้พบได้ทั่วไปในอวกาศ แต่ก็ไม่เคยสำรวจพบได้โดยตรงเลย

ขณะนี้ ทีมนักวิจัยที่นำโดย Brett McGuire ผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่เอ็มไอที ได้จำแนก PAHs ที่เด่นชัด 2 ชนิดในพื้นที่ส่วนเล็กๆ ในอวกาศที่เรียกว่า เมฆโมเลกุลกลุ่มดาววัว(Taurus Molecular Cloud; TMC-1) ซึ่งอยู่ไกลออกไปประมาณ 430 ปีแสง ทีมสำรวจเมฆนี้เพื่อหา PAHs อันเป็นส่วนหนึ่งของโครงการที่มีชื่อว่า GOTHAM-Green Bank Telescope(GBT) Observations of TMC-1: Hunting Aromatic Molecules

เชื่อกันว่า PAHs จะก่อตัวขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพเฉพาะที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น บนโลก มักจะพบในผลพลอยได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลทั้งน้ำมันดิบซึ่งเกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเช่น ซูแพลงตอน(zooplankton) และสาหร่ายตายลงและผ่านความร้อนสูงและแรงดันสูง และถ่านหิน(coal) ซึ่งเป็นพืชที่ล้มตาย ผ่านความร้อนและความดันสูง และยังพบในส่วนที่ไหม้บนเนื้อสัตว์ย่าง แต่ในก้อนเมฆในห้วงอวกาศที่ทีมวิจัยได้พบนี้ยังไม่ได้เริ่มก่อตัวดาวฤกษ์ขึ้นเลยด้วยซ้ำ และอุณหภูมิก็เพียง 10 องศาเหนือศูนย์องศาสัมบูรณ์(หรือ -263 องศาเซลเซียส)

บนโลก PAHs ก่อตัวขึ้นจากการเผาไหม้ และส่วนใหญ่สร้างมลพิษ รวมทั้งเป็นสารก่อมะเร็ง(carcinogen)

การค้นพบนี้จึงบอกว่าโมเลกุลเหล่านี้สามารถก่อตัวขึ้นในอุณหภูมิที่ต่ำกว่าที่คาดไว้ได้มาก และมันอาจจะนำนักวิทยาศาสตร์ให้ต้องกลับมาใคร่ครวญสมมุติฐานเกี่ยวกับบทบาทของเคมีจาก PAH ในการก่อตัวดาวและดาวเคราะห์ สิ่งที่ทำให้การค้นพบนี้มีความสำคัญมากๆ ก็คือไม่เพียงแต่เราสามารถยืนยันสมมุติฐานจากเมื่อ 30 ปีก่อน แต่ขณะนี้เรายังได้ตรวจสอบโมเลกุลอื่นๆ ทั้งหมดในแหล่งนี้แหล่งเดียว และถามว่าพวกมันกำลังมีปฏิกิริยากันอย่างไรเพื่อก่อตัว PAHs ที่เรากำลังได้เห็น, PAHs ที่เราได้เห็นอาจจะมีปฏิกิริยากับสิ่งอื่นเพื่อที่จะสร้างโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้นไปอีกก็ได้ และนัยยะที่มันมีต่อความเข้าใจบทบาทของโมเลกุลคาร์บอนขนาดใหญ่มากในการก่อตัวดาวเคราะห์และดาวฤกษ์ McGuire ซึ่งเป็นผู้เขียนอาวุโสในการศึกษาใหม่นี้ กล่าว

Michael McCarthy รองผู้อำนวยการศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CfA) ก็เป็นผู้เขียนอาวุโสอีกคนในการศึกษานี้ซึ่งเผยแพร่ใน Science ทีมวิจัยยังประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันอื่นหลายแห่ง รวมทั้งมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนีย, หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ และศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา

เริ่มต้นในทศวรรษ 1980 นักดาราศาสตร์ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์เพื่อตรวจจับสัญญาณอินฟราเรดที่บอกถึงการมีอยู่ของโมเลกุลอะโรมาติก(aromatic) ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีวงแหวนคาร์บอนอย่างน้อย 1 วงหรือมากกว่านั้น ในอวกาศมีคาร์บอนประมาณ 10 ถึง 25% ที่เชื่อว่าอยู่ในรูปของ PAHs ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีวงแหวนคาร์บอนอย่างน้อย 2 วง แต่สัญญาณอินฟราเรดที่ได้ก็ไม่ได้เด่นชัดพอที่จะจำแนกโมเลกุลจำเพาะได้

อะโรมาติก ไฮโดรคาร์บอน เป็นสารประกอบที่มีวงแหวนเบนซีน(benzene ring) อยู่ ซึ่งเบนซีนอาจสร้างพันธะกันเองหรือมี functional groups เพิ่ม ด้วยรูปแบบที่หลากหลาย สร้างเป็นโมเลกุลที่มีขนาดใหญ๋และซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ มีการแบ่งแยกสารประกอบกลุ่มนี้ออกไปเป็นสาขาย่อยในเคมีอินทรีย์(organic chemistry)

นี่หมายความว่าเราไม่สามารถขุดลึกสู่กลไกทางเคมีในรายละเอียดว่าพวกมันก่อตัวอย่างไร, พวกมันมีปฏิกิริยากับอีกโมเลกุลหรือโมเลกุลอื่นๆ อย่างไร, พวกมันถูกทำลายได้อย่างไร และวัฏจักรโดยรวมของคาร์บอนตลอดทั้งกระบวนการก่อตัวดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ และสุดท้ายก็ก่อตัวชีวิต McGuire กล่าว

แม้ว่าดาราศาสตร์วิทยุจะเป็นม้าใช้ในการตรวจจับโมเลกุลในอวกาศมาตั้งแต่ทศวรรษ 1960 แล้ว แต่กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีพลังมากพอที่จะตรวจจับโมเลกุลใหญ่ๆ เหล่านี้ก็เพิ่งมีให้ใช้เมื่อสิบกว่าปีก่อน กล้องเหล่านี้สามารถตรวจจับสเปคตรัมการหมุนรอบของโมเลกุลได้ ซึ่งจะเป็นรูปแบบแสงที่เฉพาะซึ่งโมเลกุลเปล่งออกมาเมื่อพวกมันเพ่นพล่านในอวกาศ จากนั้นนักวิจัยก็สามารถจับคู่รูปแบบที่สำรวจพบในอวกาศกับรูปแบบที่พวกเขาเห็นจากโมเลกุลเดียวกันในห้องทดลองบนโลกได้

และเมื่อคุณจับคู่รูปแบบได้ คุณก็ทราบว่าไม่มีโมเลกุลอื่นๆ อยู่อีกซึ่งจะให้สเปคตรัมที่เหมือนกันเป๊ะออกมา และความเข้มของเส้นสเปคตรัมและความยาวเปรียบเทียบของแต่ละชิ้นส่วนต่างๆ ในรูปแบบ จะบอกว่ามีโมเลกุลอยู่ที่นั้นมากน้อยแค่ไหน, โมเลกุลนั้นอุ่นหรือเย็นอย่างไร McGuire กล่าว เขาและเพื่อนร่วมงานได้ศึกษา TMC-1 มาหลายปีเนื่องจากการสำรวจก่อนหน้านี้ได้เผยให้เห็นว่ามันอุดมไปด้วยโมเลกุลคาร์บอนเชิงซ้อน เมื่อไม่กี่ปีก่อน สมาชิกคนอื่นในทีมวิจัยได้สำรวจพบเงื่อนงำว่าเมฆก๊าซนี้มีเบนโซไนตริล(benzonitrile) ซึ่งเป็นวงแหวน6 คาร์บอน(หรือที่เรียกว่าวงแหวนเบนซีน; benzene ring-ผู้แปล) ที่มีหมู่ไนตริล(CN) เกาะอยู่

Taurus Molecular Cloud ซึ่งมีแกนกลางเย็นไร้ดาว TMC-1 อยู่ เป็นเส้นสีมืดบนท้องฟ้าใกล้กระจุกลูกไก่(Pleiades) ตามที่เห็นในภาพจากชาร์ลอตต์สวิลล์ เวอร์จิเนีย credit: Brett A. McGuire

จากนั้น นักวิจัยก็ใช้กล้องโทรทรรศน์กรีนแบงค์ ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่หมุนได้ขนาดใหญ่ที่สุดบนโลก เพื่อยืนยันการมีอยู่ของเบนโซไนตริล ในข้อมูล พวกเขายังพบสัญญาณของโมเลกุลอีก 2 ชนิด เป็น PAHs ที่รายงานในการศึกษาใหม่นี้ โมเลกุลเหล่านั้นเรียกว่า 1-cyanonaphthalene และ 2-cyanonaphthalene ซึ่งมีวงแหวนเบนซีน 2 วงเกาะอยู่ด้วยกัน โดยมีหมู่ไนตริลเกาะอยู่ที่วงแหวนวงหนึ่ง และรายงานฉบับอื่นเมื่อไม่กี่เดือนก่อนโดย McGuire และเพื่อนร่วมงานได้เผยให้เห็นขุมทรัพย์จากเทคนิคการซ้อนทับข้อมูลเหล่านี้ ได้แก่ ไซยาโนไดอะเซทิลีน(HC4NC; H-C=C-C=C-N-C), โพรพาร์กิลไซยาไนด์, ไซยาโนโพลิอีน(HC11N), ไซยาโนไซโคลเพนตะไดอีน, 2-ไซยาโนไซโคลเพนตะไดอีน, ทรานส์-ไซยาโน

ไวนิลอะเซทิลีน และ ไวนิลไซยาโนอะเซทิลีน

การตรวจจับโมเลกุลเหล่านี้เป็นก้าวใหญ่ที่สำคัญสู่ดาราศาสตร์เคมี เรากำลังเริ่มต้นเชื่อมโยงจุดต่างๆ ระหว่างโมเลกุลขนาดเล็กอย่างเบนโซไนตริล ซึ่งทราบแล้วว่ามีอยู่ในอวกาศ เข้ากับ PAHs ซึ่งเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างมากในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Kelvin Lee นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่เอ็มไอที ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เขียนการศึกษานี้ กล่าว การค้นพบโมเลกุลเหล่านี้ใน TMC-1 ที่เย็นและยังไม่ก่อตัวดาว บอกได้ว่า PAHs ไม่ได้เป็นเพียงผลพลอยได้จากการตายของดาว แต่อาจจะรวบรวมตัวขึ้นมาจากโมเลกุลขนาดเล็ก

ในที่ที่เราได้พบพวกมัน ไม่มีดาวอยู่ ดังนั้นพวกมันจึงถูกสร้างขึ้นที่นั้นหรือเป็นสิ่งที่เหลืออยู่ของดาวที่ตายแล้ว McGuire กล่าว เราคิดว่ามันอาจจะมาได้ทั้งสองทาง หลักฐานไม่ได้บอกถึงหนทางใดหนทางหนึ่งอย่างชัดเจน นี่เป็นเรื่องที่ใหม่และน่าสนใจเนื่องจากยังไม่เคยมีหลักฐานจากการสำรวจใดที่แสดงถึงกระบวนการก่อตัวจากเล็กไปใหญ่ แบบนี้ การค้นพบยังแสดงว่าเคมีในเมฆโมเลกุลนั้นน่าจะรุ่มรวยและซับซ้อนกว่าที่เราเคยคิดไว้ และใช้เครื่องมือชิ้นใหม่แก่เราในการเข้าใจเอกภพ

ในรายงานชุดที่มีรายงาน 9 ฉบับ นักวิทยาศาสตร์จาก GOTHAM ได้อธิบายการตรวจจับ PAH(Polycyclic aromatic hydrocarbons) สิบกว่าชนิดใน Taurus Molecular Cloud หรือ TMC-1 โมเลกุลเชิงซ้อนเหล่านี้ซึ่งไม่เคยพบมาก่อนในตัวกลางในห้วงอวกาศ(interstellar medium) ช่วยให้นักวิทยาศษสตร์ได้เข้าใจการก่อตัวของดาวฤกษ์, ดาวเคราะห์ และวัตถุอื่นในอวกาศได้ดีขึ้น ในภาพจากศิลปิน แสดงโมเลกุลที่ตรวจพบบางส่วน จากซ้ายไปขวา: 1-ไซยาโนแนฟทาลีน, 1-ไซยาโน-ไซโคลเพนตะไดอีน, HC11N, 2-ไซยาโนแนฟทาลีน, ไวนิลไซยาโนอะเซทิลีน, 2-ไซยาโน-ไซโคลเพนตะไดอีน, เบนโซไนตริล, ทรานส์-ไซยาโนไวนิลอะเซทิลีน, HC4NC และ โพรพาร์กิลไซยาไนด์ เป็นต้น

คาร์บอนแสดงบทบาทสำคัญยิ่งยวดในการก่อตัวดาวเคราะห์ ดังนั้นการบอกว่า PAHs อาจจะปรากฏอยู่แม้แต่ในพื้นที่ที่เย็นไร้ดวงดาวในอวกาศ อาจจะเป็นจุดเริ่มให้นักวิทยาศาสตร์กลับมาใคร่ครวญทฤษฎีของพวกเขาว่ามีสารเคมีใดบ้างที่มีอยู่ในระหว่างการก่อตัวดาวเคราะห์ McGuire กล่าว เมื่อ PAHs ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลอื่น พวกมันก็อาจจะเริ่มสร้างเม็ดฝุ่นระหว่างดวงดาว(interstellar dust grain) ขึ้นมาซึ่งจะเป็นเมล็ดพันธุ์ของดาวเคราะห์น้อย, ดาวหางและดาวเคราะห์ เป็นพื้นผิวที่น้ำแข็งจะก่อตัวขึ้นได้และ บางทีอาจจะสร้างสถานที่ที่ดาวเคราะห์จะก่อตัวขึ้นภายในระบบดาวได้ เราต้องเริ่มทบทวนแบบจำลองใหม่ทั้งหมดที่เกี่ยวกับว่าสารเคมีพัฒนาได้อย่างไร เริ่มจากแกนกลางที่ไร้ดาวเหล่านี้ จนถึงความจริงที่ว่าพวกมันกำลังก่อตัว โมเลกุลอะโรมาติกขนาดใหญ่เหล่านี้ เขากล่าว

ขณะนี้ McGuire และเพื่อนร่วมงานวางแผนที่จะทำการตรวจสอบต่อไปว่า PAHs เหล่านี้ก่อตัวอย่างไร และปฏิกิริยาชนิดไหนที่อาจจะเกิดขึ้นได้ในอวกาศ พวกเขายังวางแผนที่จะสแกน TMC-1 ด้วยกล้องโทรทรรศน์กรีนแบงค์ต่อไป เมื่อพวกเขามีการสำรวจเหล่านั้นจากเมฆในอวกาศแล้ว นักวิจัยก็สามารถจับคู่สัญญาณที่พบ กับข้อมูลที่สร้างขึ้นในห้องทดลองบนโลกได้จากการนำโมเลกุลสองชนิดเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์และยิงไฟฟ้าหลายกิโลโวลท์เข้าใส่ เพื่อทำให้โมเลกุลแตกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยและปล่อยให้พวกมันรวมตัวขึ้นใหม่อีกครั้ง นี่อาจจะเป็นผลให้เกิดโมเลกุลที่แตกต่างออกไปได้หลายร้อยชนิด ซึ่งหลายชนิดอาจไม่เคยพบเห็นบนโลก

เราอยากจะเฝ้าดูต่อไปว่ามีโมเลกุลอะไรปรากฏอยู่ในแหล่งนี้บ้าง เพราะเรายิ่งพบในคลังนี้มากชนิดเท่าไร เราก็ยิ่งสามารถเริ่มพยายามปะติดปะต่อชิ้นส่วนโครงข่ายปฏิกิริยาได้ McGuire กล่าว

กล้องโทรทรรศน์กรีนแบงค์ขนาด 100 เมตรเป็นจานสัญญาณหมุนได้ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก

ก่อนการทำโครงการ GOTHAM ในปี 2018 นักวิทยาศาสตร์มีบัญชีรายชื่อโมเลกุลราวๆ 200 ชนิดในห้วงอวกาศระหว่างดวงดาวในทางช้างเผือก การค้นพบครั้งใหม่เหล่านี้ทำให้ทีมต้องประหลาดใจว่าจะมีอะไรอยู่ข้างนอกอีก สิ่งที่น่ามหัศจรรย์เกี่ยวกับการสำรวจเหล่านี้, กับการค้นพบนี้ และโมเลกุลเหล่านี้ ก็คือ แค่ไม่มีใครเคยค้นหา หรือใช้ความพยายามค้นหาไม่มากพอ มันทำให้คุณต้องประหลาดใจว่าแล้วจะมีอะไรอีกที่เรายังไม่ได้มองหา

แหล่งข่าว phys.org – found in space: complex carbon-based molecules

sciencealert.com – molecules never before seen in space have been identified among the stars

sciencedaily.com – scientists uncover warehouse-full of complex molecules never before seen in space