On pense qu'une grande partie du carbone dans l'espace existe sous la forme de grosses molécules appelées hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Depuis les années 1980, des preuves circonstancielles ont indiqué que ces molécules sont abondantes dans l'espace, mais ils n'ont pas été observés directement.

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur adjoint du MIT Brett McGuire a identifié deux HAP distinctifs dans une parcelle d'espace appelée Taurus Molecular Cloud (TMC-1). On pensait que les HAP ne se formaient efficacement qu'à des températures élevées - sur Terre, ils se produisent comme sous-produits de la combustion de combustibles fossiles, et ils se trouvent également dans les marques de charbon sur les aliments grillés. Mais le nuage interstellaire où l'équipe de recherche les a observés n'a pas encore commencé à former des étoiles, et la température est d'environ 10 degrés au-dessus du zéro absolu.

Cette découverte suggère que ces molécules peuvent se former à des températures beaucoup plus basses que prévu, et cela peut amener les scientifiques à repenser leurs hypothèses sur le rôle de la chimie des HAP dans la formation des étoiles et des planètes, disent les chercheurs.

"Ce qui rend la détection si importante, c'est que non seulement nous avons confirmé une hypothèse qui a duré 30 ans, mais maintenant nous pouvons regarder toutes les autres molécules dans cette seule source et demander comment elles réagissent pour former les HAP que nous voyons, comment les HAP que nous voyons peuvent réagir avec d'autres choses pour éventuellement former des molécules plus grosses, et quelles implications cela peut avoir pour notre compréhension du rôle des très grosses molécules de carbone dans la formation des planètes et des étoiles, " dit McGuire, qui est un auteur principal de la nouvelle étude.

Michael McCarthy, directeur associé du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, est un autre auteur principal de l'étude, qui apparaît aujourd'hui dans Science . L'équipe de recherche comprend également des scientifiques de plusieurs autres institutions, dont l'Université de Virginie, l'Observatoire national de radioastronomie, et le Goddard Space Flight Center de la NASA.

Signaux distinctifs

À partir des années 1980, les astronomes ont utilisé des télescopes pour détecter des signaux infrarouges suggérant la présence de molécules aromatiques, qui sont des molécules qui comprennent généralement un ou plusieurs cycles carbonés. On pense qu'environ 10 à 25 pour cent du carbone dans l'espace se trouve dans les HAP, qui contiennent au moins deux cycles carbonés, mais les signaux infrarouges n'étaient pas assez distincts pour identifier des molécules spécifiques.

"Cela signifie que nous ne pouvons pas creuser dans les mécanismes chimiques détaillés de leur formation, comment ils réagissent entre eux ou avec d'autres molécules, comment ils sont détruits, et l'ensemble du cycle du carbone tout au long du processus de formation des étoiles et des planètes et finalement de la vie, " dit McGuire.

Bien que la radioastronomie soit un cheval de bataille de la découverte moléculaire dans l'espace depuis les années 1960, les radiotélescopes suffisamment puissants pour détecter ces grosses molécules n'existent que depuis un peu plus d'une décennie. Ces télescopes peuvent capter les spectres de rotation des molécules, qui sont des motifs distinctifs de lumière que les molécules dégagent lorsqu'elles dégringolent dans l'espace. Les chercheurs peuvent ensuite essayer de faire correspondre les modèles observés dans l'espace avec les modèles qu'ils ont observés à partir de ces mêmes molécules dans des laboratoires sur Terre.

"Une fois que vous avez cette correspondance de modèle, vous savez qu'il n'existe aucune autre molécule qui pourrait émettre ce spectre exact. Et, l'intensité des lignes et la force relative des différentes pièces du motif vous renseignent sur la quantité de molécule présente, et à quel point la molécule est-elle chaude ou froide, " dit McGuire.

McGuire et ses collègues étudient le TMC-1 depuis plusieurs années car des observations antérieures ont révélé qu'il était riche en molécules de carbone complexes. Il y a quelques années, un membre de l'équipe de recherche a observé des indices selon lesquels le nuage contient du benzonitrile, un anneau à six carbones attaché à un groupe nitrile (carbone-azote).

Les chercheurs ont ensuite utilisé le télescope Green Bank, le plus grand radiotélescope orientable au monde, pour confirmer la présence de benzonitrile. Dans leurs données, ils ont également trouvé des signatures de deux autres molécules, les HAP rapportés dans cette étude. Ces molécules, appelé 1-cyanonaphtalène et 2-cyanonaphtalène, se composent de deux anneaux benzéniques fusionnés, avec un groupe nitrile attaché à un anneau.

"La détection de ces molécules est un grand pas en avant en astrochimie. Nous commençons à relier les points entre les petites molécules - comme le benzonitrile - qui sont connues pour exister dans l'espace, aux HAP monolithiques si importants en astrophysique, " dit Kelvin Lee, un post-doctorant du MIT qui est l'un des auteurs de l'étude.

Retrouver ces molécules dans le froid, Starless TMC-1 suggère que les HAP ne sont pas seulement les sous-produits des étoiles mourantes, mais peut être assemblé à partir de molécules plus petites.

« À l'endroit où nous les avons trouvés, il n'y a pas d'étoile, donc soit ils sont construits sur place, soit ce sont les restes d'une étoile morte, " dit McGuire. " Nous pensons que c'est probablement une combinaison des deux - les preuves suggèrent que ce n'est ni l'un ni l'autre exclusivement. C'est nouveau et intéressant car il n'y avait vraiment eu aucune preuve observationnelle de cette voie ascendante auparavant. »

Chimie du carbone

Le carbone joue un rôle essentiel dans la formation des planètes, donc la suggestion que les HAP pourraient être présents même sans étoiles, régions froides de l'espace, peut inciter les scientifiques à repenser leurs théories sur les produits chimiques disponibles lors de la formation de la planète, dit McGuire. Comme les HAP réagissent avec d'autres molécules, ils peuvent commencer à former des grains de poussière interstellaires, qui sont les graines des astéroïdes et des planètes.

"Nous devons repenser entièrement nos modèles d'évolution de la chimie, à partir de ces noyaux sans étoiles, d'inclure le fait qu'ils forment ces grosses molécules aromatiques, " il dit.

McGuire et ses collègues prévoient maintenant d'étudier plus avant comment ces HAP se sont formés, et quels types de réactions ils peuvent subir dans l'espace. Ils prévoient également de continuer à scanner TMC-1 avec le puissant télescope Green Bank. Une fois qu'ils ont ces observations du nuage interstellaire, les chercheurs peuvent essayer de faire correspondre les signatures qu'ils trouvent avec les données qu'ils génèrent sur Terre en mettant deux molécules dans un réacteur et en les faisant exploser avec des kilovolts d'électricité, les briser en morceaux et les laisser se recombiner. Cela pourrait donner lieu à des centaines de molécules différentes, dont beaucoup n'ont jamais été vus sur Terre.

"Nous devons continuer à voir quelles molécules sont présentes dans cette source interstellaire, car plus nous en savons sur l'inventaire, plus nous pouvons commencer à essayer de connecter les morceaux de cette toile de réaction, " dit McGuire.