太空中的巴基球：魏奇曼将天体化学和光谱学相结合，以识别复杂的太空分子

普林斯顿大学的化学家们正在扩大我们对宇宙组成的理解，这些研究具有大片的所有要素——星际化学、百万年的时间尺度和高功率激光——正在扩大我们对宇宙组成的理解。

在美国国家科学基金会（National Science Foundation）为期三年的资助下，由普林斯顿大学的玛丽莎·韦奇曼（Marissa Weichman）领导的研究人员将帮助识别在太空中形成的新的巴基球状分子，这些分子“驱动行星和恒星的化学反应以及星系的形成，”化学助理教授韦奇曼说 。

“这些都是关于我们来自哪里以及我们生活在什么样的宇宙中的基本问题，”她说。这些分子是“生命的前生元起源，是开始生命的分子的种子。这就是我们关注它们的原因。

她的实验室设计了一种装置，可以测量称为富勒烯的特定种类的分子的光吸收。这些测地线空心“碳笼”是迄今为止在太空中发现的最大的一组分子，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。

Weichman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富勒烯的论文，俗称巴基球。现在，以巴基球的标志性光谱为基准，Weichman将靶向三个相似的分子：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，其特点是被困在笼子内的较小分子。

“星际空间是一个非常奇怪的环境，”魏奇曼说。“天气很冷。它真的很低压。在给定的空间中没有多少分子，而确实存在的分子不断受到紫外线辐射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，来自超新星在整个银河系中吹出的粒子的持续辐射轰击为分子创造了一个敌对的环境。“富勒烯恰好非常稳定，对碎片的抵抗力很强，”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非常重要，而光谱学是我们检测特定给定分子存在的方式。

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来自太空红外天文台的数据进行比较 – 包括斯皮策太空望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜 – 美国宇航局用来观察光学望远镜不可见的特征。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测到的许多光谱特征的身份。

“这仍然是天体化学中的一个大研究问题，”Weichman说。“所有这些吸收和发射线都是完全无法解决的。他们不是巴基球，那他们是什么？

富勒烯具有数十个原子，在室温下占据大量的旋转和振动量子态。这导致了一种叫做光谱拥塞的东西，这阻碍了研究人员完全解析这些分子光谱的能力。

研究生Negar Baradaran对此给出了答案。她设计并组装了实验室的冷冻室，将每个样品冷却到绝对零度以上几度，类似于外太空的温度。在这样的温度下，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，Baradaran解释说。

这项研究的基础资金来自普林斯顿大学研究创新基金院长 2022 年的赠款，其中包括大学捐赠基金的支持。天体化学标志着Weichman实验室的新发展方向，但它与她的团队在开发光谱学新工具方面的现有专业知识相吻合，这些工具可以探索分子在量子力学上的作用。

如今，他们定制的光谱仪几乎准备就绪。在NSF的资助下，研究人员将很快开始筛选富勒烯。

“测量C₆₀很困难，”Weichman说。“但是，要超越C₆₀，就会有很多发展。

Charczun补充说：“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。这些都不是简单的系统。因此，提供尖端、高质量的参考数据非常重要。这就是我们的目标，使用最新、最好的技术。

这个项目名为“富勒烯的精密光谱学：解决天体物理分子复杂性”，由美国国家科学基金会天文科学部资助，并由研究创新基金院长提供基础资金。

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