Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát hiện ra 5 phân tử hữu cơ phức tạp bị mắc kẹt trong băng xung quanh một tiền sao được xác định là ST6, nằm trong Đám mây Magellan Lớn cách chúng ta khoảng 160.000 năm ánh sáng. Phát hiện này do Kính viễn vọng Không gian James Webb thực hiện, đánh dấu lần đầu tiên các hợp chất có tính chất này được xác định ở trạng thái rắn bên ngoài Dải Ngân hà. Những phát hiện này mở ra những quan điểm mới về hóa học tiền sinh học trong môi trường hóa học khắc nghiệt nhất của vũ trụ.
Năm hợp chất được phát hiện trong các tảng băng đông lạnh
Các phân tử được xác định trong phổ hồng ngoại bao gồm metanol, ethanol, acetaldehyd, metyl formate và axit axetic, tất cả đều bao phủ các hạt bụi liên sao. Thiết bị MIRI (Hình ảnh hồng ngoại tầm trung) của James Webb cung cấp độ nhạy cần thiết để tách các tín hiệu chồng chéo mà các kính thiên văn trước đây không thể phân biệt được. Nhiệt độ khắc nghiệt của khu vực, khoảng 20 Kelvin, tương đương khoảng −250 °C, đã tạo ra điều kiện lý tưởng cho việc bảo quản các loại băng này.
Axit axetic nổi lên như một điểm nhấn đặc biệt của khám phá này. Đây là phát hiện đầu tiên về phân tử này ở dạng rắn trong không gian, trong bất kỳ môi trường nào được quan sát cho đến nay. Sự hiện diện đồng thời của nhiều hợp chất hữu cơ cho thấy các phản ứng hóa học hiệu quả xảy ra trên bề mặt hạt ngay cả trong những điều kiện cực kỳ bất lợi.
Phân tích quang phổ cho thấy dấu vân tay phân tử
Quang phổ hồng ngoại giữa ghi lại các rung động cụ thể của liên kết hóa học trong mỗi phân tử. Khi những nguyên tử này dao động, chúng hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng cụ thể, tạo ra những họa tiết giống dấu vân tay độc đáo. Độ phân giải của James Webb giúp biến một quang phổ đơn lẻ thành một kho hóa chất chi tiết.
Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện các manh mối quang phổ phù hợp với glycolaldehyde, một tiền chất có liên quan về mặt hóa học với ribose, mặc dù việc xác định này vẫn cần được xác nhận bằng dữ liệu cụ thể hơn. Nếu được xác minh, phát hiện này sẽ củng cố các kịch bản trong đó các thành phần phân tử liên kết với đường có thể được tạo ra trong các tảng băng ngay cả trước khi hình thành các hành tinh.
- Metanol (CH3OH): điểm khởi đầu cơ bản cho các cấu trúc hữu cơ lớn hơn
- Ethanol (C2H5OH): bằng chứng về phản ứng hiệu quả giữa cacbon và oxy
- Acetaldehyde (CH3CHO): chất trung gian trong quá trình tổng hợp đường
- Methyl formate (HCOOCH3): liên quan đến phản ứng khi đun nóng
- Axit axetic (CH3COOH): phát hiện lần đầu ở trạng thái rắn
Môi trường khắc nghiệt vẫn tạo ra chất hóa học phức tạp
Đám mây Magellan Lớn thể hiện những đặc điểm từng thách thức các mô hình hóa học thiên văn truyền thống trong lịch sử. Vì nghèo kim loại, nghĩa là chứa ít nguyên tố nặng như carbon, nitơ và oxy hơn Dải Ngân hà, nên độ phức tạp hóa học của nó được cho là sẽ bị hạn chế. Hơn nữa, tiền sao ST6 nằm trong một siêu bong bóng tràn đầy năng lượng gọi là N158, một vùng bức xạ cực tím cường độ cao có khả năng phá hủy các phân tử mỏng manh.
Việc phát hiện ra các hợp chất hữu cơ phức tạp trong môi trường khắc nghiệt này chứng tỏ rằng bề mặt của các hạt bụi hoạt động đồng thời vừa là nơi trú ẩn vừa là nhà máy hóa chất. Các tảng băng bảo vệ các phân tử mỏng manh khỏi bức xạ hủy diệt đồng thời cung cấp các bề mặt giúp phản ứng hiệu quả hơn. Các tia vũ trụ, sự gia nhiệt yếu và các photon cực tím, kết hợp dần dần, tạo ra các gốc hóa học tích tụ theo thời gian.
Chu trình tổng hợp hữu cơ hai pha
Hóa học thiên văn theo truyền thống mô tả cách hóa học xảy ra theo hai bước tuần tự. Đầu tiên, các chất đơn giản—nước, carbon monoxide và metanol—được lắng đọng và tạo thành các lớp băng liên tiếp. Sau đó, các nguồn năng lượng vừa phải sẽ kích hoạt khả năng di chuyển của các nguyên tử và gốc tự do bên trong các lớp này, cho phép carbon, oxy và hydro sắp xếp lại thành các cấu trúc lớn hơn.
Khi tiền sao tỏa sáng và làm nóng khu vực xung quanh, một số lớp phủ băng được giải phóng sang pha khí, gieo mầm vào môi trường các hợp chất hữu cơ phức tạp. Quá trình này đã được ghi nhận rộng rãi trong Dải Ngân hà ở nhiều tiền sao trong các giai đoạn nung nóng. Quan sát ở ST6 mở rộng cơ chế này sang một môi trường khắc nghiệt hơn về mặt hóa học, cho thấy các quá trình tương tự có thể phổ biến trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành sao.
Quỹ đạo của các thành phần Prebiotic kể từ khi sinh ra
Tầm quan trọng chiến lược của khám phá này nằm ở thời điểm thực hiện. Các phân tử này được phát hiện trong thời kỳ sơ khai của tiền sao, rất lâu trước khi hình thành các đĩa hành tinh. Nếu các loại băng hữu cơ như vậy có nhiều và phổ biến ở các tiền sao, thì chất rắn giàu băng trôi dạt có thể vận chuyển chất hữu cơ có sẵn đến các khu vực hình thành hành tinh. Sao chổi và các vi thể hành tinh sau đó sẽ phân phối lại vật liệu này cho các thế giới đang phát triển.
Kịch bản này chứng thực bằng chứng thu được từ sao chổi trong hệ mặt trời. Các mẫu và quang phổ của sao chổi cho thấy các họ hợp chất hữu cơ phức tạp mạnh mẽ. Mối liên hệ giữa băng xung quanh các tiền sao ở xa và kho hóa chất của các sao chổi gần đó củng cố ý tưởng về chuỗi cung ứng hóa chất liên tục, bắt đầu từ sự ra đời của sao và kết thúc ở bề mặt hành tinh.
Những quan sát sắp tới sẽ mở rộng việc lập bản đồ hóa học thiên văn
Nhóm dự định mở rộng nghiên cứu sang các tiền sao khác trong Đám mây Magellanic. Một mẫu lớn hơn sẽ tiết lộ tần suất xuất hiện của các băng này, mức độ phong phú của chúng khác nhau như thế nào giữa các vật thể và môi trường cụ thể nào có lợi cho các phân tử cụ thể. Các quan sát sử dụng giao thoa kế vô tuyến sẽ kết nối các kho lưu trữ ở trạng thái rắn với sự giải phóng pha khí khi các vùng ấm lên.
Nghiên cứu được công bố vào ngày 20 tháng 10 năm 2025 trên Tạp chí Vật lý thiên văn. Phương pháp này sử dụng quang phổ hồng ngoại giữa từ thiết bị MIRI để phân tách các đặc điểm quang phổ chồng chéo. Khoảng cách đến Đám mây Magellan Lớn và sự hiện diện của các lõi hình thành sao có hoạt tính cao đã khiến khu vực này trở thành nơi thử nghiệm lý tưởng để tìm hiểu hóa học trong điều kiện có độ kim loại thấp.