碳是地球上生物生命的基石。该元素存在于许多化合物中，例如糖、蛋白质和碳水化合物分子，这些化合物构成了从动物到植物再到细菌的一切物质。

一种特殊的碳基分子，称为多环芳烃(PAH)，在地球上无处不在，在太空中也很丰富。天文学家在恒星之间的空间中观察到了这些蜂窝状分子的信号，并估计多环芳烃占银河系和其他星系中所有碳的很大一部分。

了解天文多环芳烃的形成地点和方式对于了解这种重要的生物构件如何到达地球至关重要，但关于太空中形成多环芳烃的环境有多种理论。

现在，加州理工学院领导的一项新研究检查了从小行星(162173)Ryugu返回的样本中提取的多环芳烃，发现了第一个证据支持多环芳烃是在星际空间的冷分子云中形成的理论。该研究需要由该研究的第一作者、博士后学者SarahZeichner(MS'20，PhD'24)在加州理工学院开发的分析化学新技术。

这项工作主要是在罗伯特·P·夏普地质学和地球化学教授约翰·艾勒(JohnEiler)的实验室中进行的。一篇描述这项研究的论文发表在《科学》杂志上。

分子云是星际空间中非常寒冷的气体区域，直径达数十亿英里。它们的温度极低——440华氏度——意味着没有太多能量来产生化学反应。

多环芳烃是相对较大的分子，因此，如果它们确实在冷分子云内形成，正如一些理论所暗示的那样，它们的形成必须通过需要最少热能或吸收光能的化学反应来发生。

地球上的大多数碳由常见的同位素碳12组成，其原子核包含六个质子和六个中子。然而，地球碳的一小部分在其原子核中含有七个而不是六个中子，被称为碳13。

额外的中子使碳13比碳12重;重要的是，当与碳13形成化学键时，分子系统的整体能量会降低，这在分子云等寒冷、低能量的环境中是首选的。

同样，两个碳13原子结合在一起，形成所谓的同位素“团块”，在这种环境中甚至更受欢迎。

因此，如果PAH是在低能量环境(如冷分子云)中形成的，研究人员预计会在其中看到过量的碳13团块，而与在高能环境中形成的PAH的预期团块数量相比，研究人员预计会在其中看到过量的碳13团块。温度、高能环境，例如恒星周围的区域。

2020年，日本航天局的隼鸟2号任务从小行星龙宫带回了5克样本。其中七毫克样品被分配用于含碳分子(也称为有机分子)的研究。

在提取各种化合物并将其运送到世界各地的各个团队后，剩下的量甚至更少用于研究多环芳烃的同位素含量。

“实际上只剩下六滴了，”蔡克纳说。“在这几滴内，多环芳烃的浓度比传统同位素分析所需的浓度低1,000倍。因此，我为这项研究开发了一种独特的方法。它使用了Orbitrap(一种研究同位素特性的新兴技术)，并定制了我们最近开发的方法，以便能够观察丰度极低的多环芳烃的同位素特性。”

利用这些新的分析工具，Zeichner和她的团队确定从小行星中分离出的多环芳烃含有过量的碳13团块，这提供了第一个定量证据表明多环芳烃可能是在寒冷、低能量的星际空间区域形成的。

小行星龙宫属于一类特殊的太空岩石，代表了普通太阳系的组成，因此为地球和太阳系其他行星形成的环境提供了线索，也可能为行星的形成环境提供了线索。围绕其他类似于我们太阳的恒星。

“样本返回任务对于研究有机化合物非常重要，”蔡克纳说。

“陨石将太空样本带到地球，但由于它们坠入大气层，因此受到了一些地面污染。这些特殊样品提供了观察从未经历过不受控制地暴露于陆地生物圈的有机分子的机会。希望这些方法现在可以帮助我们更好地了解未来任务返回的陨石和其他外星物体的样本。”