Ett desinfektionsmedel i det galaktiska centrumets rike

En internationell forskargrupp ledd av Arnaud Belloche (MPIfR Bonn) har för första gången upptäckt molekylen isopropanol i ett ämne som används på jorden som desinfektionsmedel. Iso-propanol är den största alkoholmolekylen som hittills upptäckts i rymden och visar den ökande komplexiteten hos medlemmar av denna klass av molekyler som är så vanliga i rymden. Upptäckten möjliggjordes genom att observera den stjärnbildande regionen Sagittarius B2 (Sgr B2) nära mitten av vår Vintergatan, där många molekyler redan har upptäckts. Sgr B2 är målet för en omfattande kemisk sammansättningsstudie med ALMA-teleskopet i Chile.

Sökandet efter molekyler i rymden har pågått i mer än 50 år. Hittills har astronomer kunnat identifiera 276 molekyler i det interstellära mediet. Cologne Molecular Spectroscopy Database (CDMS) presenterar spektroskopiska data för detektering av dessa molekyler, bidragit från många forskargrupper, och har i många fall bidragit till identifieringen av dessa molekyler.

Syftet med detta arbete är att förstå hur organiska molekyler bildas i det interstellära mediet, särskilt i områden där nya stjärnor föds, och hur komplexa dessa molekyler kan vara. En motivation bakom detta är att skapa kopplingar till den kemiska sammansättningen av kroppar i solsystemet som kometer, som den som Rosetta-uppdraget till kometen Churyumov-Gerasimenko gav för några år sedan.

Ett särskilt lämpligt stjärnbildande område i vår galax, där många molekyler redan har upptäckts tidigare, är Skytten B2 (Sgr B2), mycket nära Sgr A*, det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan.

”Vår grupp började undersöka den kemiska sammansättningen av Sgr B2 med 30 m IRAM-radioteleskopet för mer än 15 år sedan”, säger Arnaud Belloche från Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) i Bonn, den första författaren till publikationen om upptäckten av isopropanol. ”Dessa observationer var framgångsrika och ledde i synnerhet till den första interstellära upptäckten av ett antal organiska molekyler, bland många andra resultat.”

Med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), som togs i drift för tio år sedan, blev det möjligt att gå längre än vad som kunde uppnås med enstaka radioteleskop mot Sgr B2 och blev en långsiktig kemisk sammansättningsstudie startad av Sgr B2 med hög vinkelupplösning, vilket också drar fördel av ALMAs höga känslighet.

Sedan 2014 har ALMA-observationerna lett till identifieringen av tre nya organiska molekyler (isopropylcyanid, N-metylformamid, urea). Det senaste resultatet från detta ALMA-projekt är detektering av propanol (C3H7OH).

Propanol är den största alkoholmolekylen som upptäckts i det interstellära rymden. Denna molekyl finns i två former (”isomerer”), beroende på vilken kolatom den funktionella hydroxylgruppen (OH) är bunden till: 1) vanlig propanol, i vilken OH är bunden till en terminal kolatom i kedjan, och 2 ) iso-propanol där OH är fäst till den centrala kolatomen i kedjan. Båda isomererna av propanol i Sgr B2 kunde identifieras i ALMA-datauppsättningen. Det är första gången isopropanol har upptäckts i det interstellära mediet och normal propanol i ett stjärnbildande område. Den första interstellära upptäckten av normal propanol gjordes kort före ALMA-detekteringen av en spansk forskargrupp med enstaka teleskop i ett molekylärt moln inte långt från Sgr B2. Detekteringen av isopropanol i riktning mot Sgr B2 var dock endast möjlig med ALMA.

”Detekteringen av båda propanolisomererna är av unik betydelse när det gäller att bestämma bildningsmekanismen för de två isomererna. Eftersom de är så lika beter sig de också väldigt lika fysiskt, vilket innebär att de två molekylerna bör finnas på samma ställen. och samtidigt”, säger Rob Garrod vid University of Virginia (Charlottesville/USA). ”Den enda öppna frågan är de exakta mängderna som är närvarande – detta gör deras interstellära abundansförhållande mycket mer exakt än vad som skulle vara fallet för andra molekylpar. Det betyder också att det kemiska nätverket kan ställas in mycket mer exakt för att avslöja mekanismer för att fastställa deras ursprung.”

ALMA-teleskopnätverket var avgörande för att detektera båda isomererna av propanol mot Sgr B2 tack vare dess höga känslighet, höga vinkelupplösning och breda frekvenstäckning. En svårighet att identifiera organiska molekyler i spektra av stjärnbildande regioner är spektral förvirring. Varje molekyl avger strålning vid specifika frekvenser, dess spektrala ”fingeravtryck” känt från laboratoriemätningar.

”Ju större molekylen är, desto fler spektrallinjer vid olika frekvenser kommer den att avge. I en källa som Sgr B2 finns det så många molekyler som bidrar till den observerade strålningen att deras spektra överlappar varandra och det är svårt att reda ut deras fingeravtryck och identifiera dem individuellt. ”, säger Holger Müller från universitetet i Köln, där laboratoriemätningar utfördes på i synnerhet normal propanol.

Tack vare ALMA:s höga vinkelupplösning var det möjligt att isolera delar av Sgr B2 som sänder ut mycket smala spektrallinjer – fem gånger smalare än de linjer som detekteras på större skalor med 30 m IRAM-radioteleskopet! Dessa linjers smalhet minskar förvirringen i spektrumet, och detta var också nyckeln till att identifiera de två isomererna av propanol i Sgr B2. ALMAs känslighet spelade också en viktig roll: om känsligheten var dubbelt så dålig hade det inte varit möjligt att identifiera propanol i den insamlade informationen.

Denna forskning är ett långsiktigt projekt för att studera den kemiska sammansättningen av olika stjärnbildande regioner av Sgr B2 för att förstå de kemiska processer som är involverade i stjärnbildning. Syftet är att bestämma den kemiska sammansättningen av de stjärnbildande regionerna och eventuellt identifiera nya interstellära molekyler. ”Propanol har länge funnits på vår lista över molekyler som ska spåras upp, men endast nyligen jämförande arbete i laboratoriet för att karakterisera spektrumet av rotationsövergångar har gjort det möjligt för oss att tydligt identifiera de två isomererna av propanol”, säger Oliver Zingsheim, också från Kölns universitet.

Att upptäcka närbesläktade molekyler som skiljer sig något i struktur (såsom normal och isopropanol, eller, som har varit fallet tidigare, normal och isopropylcyanid) och mäta deras förekomstförhållande gör det möjligt för forskare att identifiera specifika delar av kemikalien för att undersöka reaktionen nätverk som leder till produktion av molekyler i det interstellära mediet.

”Det finns fortfarande många oidentifierade linjer i ALMA-spektrumet för Sgr B2 och det återstår fortfarande mycket arbete för att reda ut den kemiska sammansättningen av denna viktiga källa. Inom en snar framtid kommer en utvidgning av ALMA-instrumenteringen till lägre frekvenser sannolikt att hjälpa oss att ytterligare minska förvirringen i spektrumet och potentiellt identifiera fler organiska molekyler i Sgr B2”, avslutar Karl Menten, direktör vid MPIfR och chef för Millimeterforskningsavdelningen – och submillimeterastronomi.