太空中的巴基球结合天体化学和光谱学来识别复杂的空间分子

在美国国家科学基金会为期三年的资助的支持下，由普林斯顿大学的玛丽莎·韦克曼(MarissaWeichman)领导的研究人员将帮助识别在太空中形成的新的类巴基球分子，这种分子“驱动行星和恒星的化学反应以及星系的形成”，韦克曼说。化学助理教授。

“这些都是关于我们从哪里来以及我们生活在什么样的宇宙中的重大而基本的问题，”她说。这些分子是“生命的前生命起源，是生命开始分子的种子。这就是我们关注他们的原因。”

她的实验室设计了一种设备，可以测量称为富勒烯的特定种类分子的光吸收。这些测地空心“碳笼”是迄今为止在太空中发现的最大的分子群，它们已经重新定义了我们对星际环境中分子复杂性的假设。

魏希曼希望将这些假设提升到一个新的水平。

五年前，作为一名博士后，Weichman在《科学》杂志上发表了一篇关于最简单的C60富勒烯(俗称巴基球)的论文。现在，以巴基球的特征光谱为基准，魏克曼将瞄准三种相似的分子：更大的富勒烯;杂富勒烯，其中碳原子已被其他元素取代;和内富勒烯，其特征是较小的分子被困在笼内。

“星际空间是一个非常奇怪的环境，”韦奇曼说。“是冷的。真是低压啊。给定量的空间内分子并不多，而确实存在的分子则不断受到紫外线的照射和宇宙粒子的轰击。所以，那里发生的化学反应与地球上发生的完全不同。”

她解释说，银河系中超新星喷出的粒子所产生的持续辐射轰击，为分子创造了一个充满敌意的环境。“富勒烯恰好非常稳定且不易碎裂，”她说。“它们或多或少可以在太空中永远存在。了解这些物种对于天体化学来说非常重要，而光谱学是我们检测特定分子是否存在的方法。”

下一代设备

新设计的仪器将产生富勒烯的长波红外吸收光谱。一旦它启动并运行，研究人员将把他们的结果与天基红外天文台(包括斯皮策太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜)的数据进行比较，美国宇航局用这些天文台来观察光学望远镜看不见的特征。除了定位已知形式的富勒烯(如C60和C70)外，Weichman的团队还将尝试澄清太空望远镜观察到的许多光谱特征的身份。

“这仍然是天体化学中的一个重大研究问题，”魏克曼说。“所有这些吸收线和发射线都完全悬而未决。它们不是巴基球，那它们是什么?”

富勒烯具有数十个原子，在室温下占据大量旋转和振动量子态。这导致了所谓的光谱拥塞，阻碍了研究人员完全解析这些分子光谱的能力。

研究生NegarBaradaran对此给出了答案。她设计并组装了实验室的冷冻室，可将每个样品冷却至仅比绝对零高几度，类似于外太空的温度。巴拉达兰解释说，在这些温度下，原子振动变得缓慢，使他们的团队能够获得更好的分辨率并更清楚地辨别富勒烯的量子态。

这项研究的基础工作资金来自普林斯顿大学院长研究创新基金2022年的拨款，其中包括大学捐赠基金的支持。天体化学标志着魏希曼实验室的一个新的发展方向，但它与她的团队在开发新的光谱工具方面的现有专业知识非常吻合，这些工具可以探索分子在量子力学上的作用。

今天，他们的定制光谱仪几乎准备就绪。在美国国家科学基金会的资助下，研究人员很快将开始筛选富勒烯。

“测量C60很困难，”Weichman说。“但为了超越C60，将会有大量的开发工作。”

Charczun补充道：“天文学家使用那些宏伟的太空望远镜来收集数据，但这些数据通常非常神秘。这些都不是简单的研究系统。这就是为什么提供前沿、高质量的参考数据很重要。我们的目标是使用现有的最新、最好的技术来做到这一点。”