DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202452196
تاريخ النشر: 2024-09-26
المؤلف: J. Cernicharo وآخرون
الموضوع الرئيسي: الطيف الجزيئي والبنية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يذكر المؤلفون اكتشاف مشتقات السيانو من الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAH) الأسينافثيلين (C$_{12}$H$_8$) في الوسط بين النجمي، تحديدًا في منطقة TMC-1. باستخدام مسح خط QUIJOTE، حددوا الأيزومرات 1-C$_{12}$H$_7$CN و5-C$_{12}$H$_7$CN، واكتشفوا 173 انتقالًا دورانيًا للأيزومر 1 (J يصل إلى 46، K$_a$ يصل إلى 9) و56 خطًا للأيزومر 5 (117 انتقالًا مع J يصل إلى 40، K$_a$ يصل إلى 8). تم دعم التعرف من خلال تحليل الثوابت الدورانية، مما يؤكد أن هذه الأنواع مسطحة ويستبعد المشتقات غير المسطحة مثل الفلورين والأسينافثين.
تشمل النتائج أيضًا تأكيد الاكتشافات التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لـ 1- و2-سيانونافثالين، مع قياسات كثافة العمود عند (9.5 ± 0.9) × 10$^{11}$ سم$^{-2}$ لمشتقات السيانو الأسينافثيلين و(5.5 ± 0.5) × 10$^{11}$ سم$^{-2}$ لمشتقات السيانو نافثالين. وهذا يشير إلى أن الأسينافثيلين قد يكون أكثر وفرة بحوالي 1.7 مرة من النافثالين في السحب المظلمة الباردة، مما يدعم نموذج نمو PAH الذي يتضمن حلقات كربونية متصلة من خمسة وستة أعضاء.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث النتائج المهمة من مسح خط QUIJOTE 1 الفائق الحساسية، الذي اكتشف بنجاح أكثر من 60 نوعًا جزيئيًا في بيئة TMC-1 على مدار السنوات الأربع الماضية. من بين هذه الاكتشافات 16 نوعًا يحتوي على الكبريت، ومواد جذرية متنوعة مثل H₂C₃N وH₂C₄N، ومشتقات ثنائية السيانيد من الميثان والإيثيلين. ومن الجدير بالذكر أن المسح كشف عن هيدروكربونات نقية وفيرة، بما في ذلك CH₂CHCCH وo-C₆H₄ وCH₂CCHCCH وc-C₅H₆ وc-C₉H₈، بالإضافة إلى الجذر H₂CCCH وسلاسل كربونية طويلة مثل CH₂CCHC₄H. تشير هذه النتائج إلى أن هذه الجزيئات المحايدة وبعض الكاتيونات، مثل l-C₃H₃⁺، قد تساهم في تشكيل هيدروكربونات أكبر وهيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات (PAHs) في TMC-1.
تسلط المقدمة أيضًا الضوء على أن الإندين هو PAH الوحيد الذي تم التعرف عليه مباشرة من خلال طيفه الدوراني، بينما تم اكتشاف مشتقات السيانو من البنزين والنافثالين باستخدام تقنيات التكديس. تثير الورقة تساؤلات حول تشكيل PAHs في السحب المظلمة الباردة، مشيرة إلى أن هذه الجزيئات من المحتمل ألا تنشأ من خزان موجود مسبقًا، حيث إن PAHs الأصغر لن تكون قد نجت من مراحل سابقة من تطور السحب. بالإضافة إلى ذلك، يتماشى التوزيع المكاني للبنزوناتريل مع ذلك الخاص بالسيانو بولينز وأنواع جزيئية أخرى، مما يشير إلى عمليات كيميائية معقدة تلعب دورًا في هذه البيئة الفلكية.
طرق
في قسم الطرق، تم إجراء تخليق 1-CNACY و5-CNACY وفقًا لبروتوكولات الأدبيات المعدلة، مع الإشارة بشكل خاص إلى أعمال أندرسون وأندرسون (1955)، كريشنان وآخرون (1979)، برودوس وكاس (2001)، وجينا وآخرون (2020). تم تنفيذ جميع الإجراءات التجريبية تحت جو من الأرجون باستخدام زجاجيات مجففة في الفرن، مع تيتراهيدروفوران (THF) ودايميثيل فورماميد (DMF) المأخوذة من نظام تنقية المذيبات MBraun SPS-800. تم تخليق المواد الأولية، 1-سيانو أسينافثيلين و5-سيانو أسينافثيلين، وفقًا للطرق المعتمدة، بينما تم الحصول على الكواشف الأخرى من موردين موثوقين واستخدمت دون مزيد من التنقية.
شملت تقنيات التوصيف الكروماتوغرافيا الطبقية الرقيقة (TLC) على هلام السيليكا Merck 60 F 254، مع التصوير تحت ضوء UV عند أطوال موجية 254 و360 نانومتر. تم تنفيذ الكروماتوغرافيا العمودية باستخدام هلام السيليكا Merck 60 (ASTM 230-400 mesh). تم استخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) للحصول على طيف البروتون (^1H) والكربون (^13C) عند ترددات مختلفة باستخدام أجهزة Varian. شملت تحليلات مطيافية الكتلة طيف الكتلة بتأثير الإلكترون منخفض الدقة (EI) عند 70 eV على جهاز HP-5988A، إلى جانب أطياف الكتلة عالية الدقة (HRMS) التي تم الحصول عليها على مطياف Micromass Autospec وHRMS بتأين كيميائي عند الضغط الجوي (APCI) من Bruker Microtof باستخدام مسبار الإدخال المباشر (DIP).
نتائج
في هذه الدراسة، تم إجراء تحديد الخطوط باستخدام كود MADEX جنبًا إلى جنب مع كتالوجات CDMS وJPL، كما أشار إليه سيرنيتشارو (2012)، مولر وآخرون (2005)، وبيكيت وآخرون (1998). مقياس الكثافة المستخدم هو درجة حرارة الهوائي ($T^*_A$)، مما استلزم دمج معلمات التلسكوب وخصائص المصدر لتوليد أطياف تركيبية على هذا المقياس. تم نمذجة المصدر بسرعة 5.83 كم/ثانية بالنسبة للمعيار المحلي للراحة، كما أشار سيرنيتشارو وآخرون (2020)، وتم افتراض أنه دائري مع درجة حرارة سطوع موحدة ونصف قطر 40 ثانية قوسية، وفقًا لعمل فوسيه وآخرون (2001).
تعتبر هذه الخيارات المنهجية حاسمة لتفسير الخصائص الانبعاثية للأنواع المرصودة بدقة، مما يعزز موثوقية التحليل الطيفي الذي تم إجراؤه في هذا البحث.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون البيانات الرصدية التي تم الحصول عليها من مسح خطوط الطيف QUIJOTE الذي يستهدف TMC-1(CP) باستخدام تلسكوب ييبس 40م. استخدم المسح تقنية مستقبل متقدمة ومطيافات تحويل فورييه السريعة لتغطية نطاق Q (31.0-50.3 غيغاهرتز) بحساسية عالية، مما سمح بالكشف عن أنواع جزيئية متنوعة. ومن الجدير بالذكر أن المؤلفين يوضحون تحديد اثنين من مشتقات السيانو الجديدة من الأسينافثيلين، تحديدًا 1-CNACY و5-CNACY، بناءً على أطيافها الدورانية. وُجد أن الثوابت الدورانية المستمدة لهذه الأنواع تتماشى مع الحسابات الكيميائية الكمومية، مما يؤكد وجودها في الفضاء لأول مرة.
كما يقدم المؤلفون طريقة لتحديد الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) من خلال البحث عن علاقات توافقي في البيانات الطيفية. وقد تمكنوا من الكشف عن سلسلتين من الخطوط، B429 وB444، التي تتوافق مع أرقام الكم نصف الصحيحة، مما يدل على وجود هذه المشتقات الجديدة من PAH. تم تقدير كثافات العمود لـ 1-CNACY و5-CNACY بحوالي $(9.5 \pm 0.5) \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2}$، مما يتماشى مع النتائج السابقة لأنواع PAHs الأخرى في TMC-1. تشير النتائج إلى أن تشكيل PAHs في البيئات بين النجومية الباردة قد يفضل الأنواع ذات الحلقات الكربونية المتصلة من خمسة وستة أعضاء، مما يبرز تعقيد العمليات الكيميائية في مثل هذه المناطق.
DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202452196
Publication Date: 2024-09-26
Author(s): J. Cernicharo et al.
Primary Topic: Molecular Spectroscopy and Structure
Overview
In this study, the authors report the discovery of two cyano derivatives of the polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) acenaphthylene (C$_{12}$H$_8$) in the interstellar medium, specifically in the TMC-1 region. Utilizing the QUIJOTE line survey, they identified the 1-C$_{12}$H$_7$CN and 5-C$_{12}$H$_7$CN isomers, detecting 173 rotational transitions for the 1-isomer (J up to 46, K$_a$ up to 9) and 56 lines for the 5-isomer (117 transitions with J up to 40, K$_a$ up to 8). The identification was supported by the analysis of rotational constants, confirming that these species are planar and ruling out non-planar derivatives such as fluorene and acenaphthene.
The findings also include the confirmation of previously reported detections of 1- and 2-cyanonaphthalene, with column densities measured at (9.5 ± 0.9) × 10$^{11}$ cm$^{-2}$ for the cyanoacenaphthylenes and (5.5 ± 0.5) × 10$^{11}$ cm$^{-2}$ for the cyanonsaphthalenes. This suggests that acenaphthylene may be approximately 1.7 times more abundant than naphthalene in the cold dark clouds, supporting a model of PAH growth involving fused five- and six-membered carbon rings.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant findings from the QUIJOTE 1 ultrasensitive line survey, which has successfully detected over 60 molecular species in the TMC-1 environment over the past four years. Among these discoveries are 16 sulfur-bearing species, various radicals such as H₂C₃N and H₂C₄N, and double-cyanide derivatives of methane and ethylene. Notably, the survey has revealed abundant pure hydrocarbons, including CH₂CHCCH, o-C₆H₄, CH₂CCHCCH, c-C₅H₆, and c-C₉H₈, as well as the radical H₂CCCH and long carbon chains like CH₂CCHC₄H. These findings suggest that these neutral molecules and certain cations, such as l-C₃H₃⁺, may contribute to the formation of larger hydrocarbons and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in TMC-1.
The introduction also highlights that indene is the only PAH identified directly through its rotational spectrum, while cyano derivatives of benzene and naphthalene have been detected using stacking techniques. The paper raises questions regarding the formation of PAHs in cold dark clouds, suggesting that these molecules likely do not originate from a pre-existing reservoir, as smaller PAHs would not have survived earlier stages of cloud evolution. Additionally, the spatial distribution of benzonitrile aligns with that of cyanopolyynes and other molecular species, indicating complex chemical processes at play in this astrophysical environment.
Methods
In the Methods section, the synthesis of 1-CNACY and 5-CNACY was conducted following adapted literature protocols, specifically referencing works by Anderson & Anderson (1955), Krishnan et al. (1979), Broadus & Kass (2001), and Jena et al. (2020). All experimental procedures were performed under an argon atmosphere using oven-dried glassware, with anhydrous tetrahydrofuran (THF) and dimethylformamide (DMF) sourced from a MBraun SPS-800 Solvent Purification System. The starting materials, 1-cyanoacenaphthylene and 5-cyanoacenaphthylene, were synthesized according to established methods, while other reagents were procured from reputable suppliers and utilized without further purification.
Characterization techniques included thin-layer chromatography (TLC) on Merck silica gel 60 F 254, with visualization under UV light at wavelengths of 254 and 360 nm. Column chromatography was executed using Merck silica gel 60 (ASTM 230-400 mesh). NMR spectroscopy was employed to obtain proton (^1H) and carbon (^13C) spectra at various frequencies using Varian instruments. Mass spectrometry analyses included low-resolution electron impact (EI) mass spectra at 70 eV on an HP-5988A instrument, alongside high-resolution mass spectra (HRMS) acquired on a Micromass Autospec spectrometer and atmospheric pressure chemical ionization (APCI) HRMS from a Bruker Microtof using a Direct Inlet Probe (DIP).
Results
In this study, line identification was conducted using the MADEX code alongside the CDMS and JPL catalogues, as referenced by Cernicharo (2012), Müller et al. (2005), and Pickett et al. (1998). The intensity scale employed is the antenna temperature ($T^*_A$), which necessitated the integration of telescope parameters and source characteristics to generate synthetic spectra on this scale. The source was modeled with a velocity of 5.83 km s\(^{-1}\) relative to the local standard of rest, as noted by Cernicharo et al. (2020), and was assumed to be circular with a uniform brightness temperature and a radius of 40 arcseconds, following the work of Fossé et al. (2001).
These methodological choices are critical for accurately interpreting the emission characteristics of the observed species, thereby enhancing the reliability of the spectral analysis conducted in this research.
Discussion
In this section, the authors discuss the observational data obtained from the QUIJOTE spectral line survey targeting TMC-1(CP) using the Yebes 40m radio telescope. The survey utilized advanced receiver technology and fast Fourier transform spectrometers to cover the Q-band (31.0-50.3 GHz) with high sensitivity, allowing for the detection of various molecular species. Notably, the authors detail the identification of two new cyano derivatives of acenaphthylene, specifically 1-CNACY and 5-CNACY, based on their rotational spectra. The derived rotational constants for these species were found to be consistent with quantum chemical calculations, confirming their presence in space for the first time.
The authors also present a method for identifying polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) by searching for harmonic relations in the spectral data. They successfully detected two series of lines, B429 and B444, which correspond to half-integer quantum numbers, indicative of the presence of these new PAH derivatives. The column densities for 1-CNACY and 5-CNACY were estimated to be approximately $(9.5 \pm 0.5) \times 10^{11} \, \text{cm}^{-2}$, which aligns with previous findings for other PAHs in TMC-1. The results suggest that the formation of PAHs in cold interstellar environments may favor species with fused five- and six-membered carbon rings, highlighting the complexity of chemical processes in such regions.