METANOL NẶNG CUỐI CÙNG ĐÃ ĐƯỢC TÌM THẤY TRONG VŨ TRỤ

Đơteri là đồng vị nặng của hydro. Trong thiên hà của chúng ta, cứ 100.000 nguyên tử hydro thì có khoảng 1,6 nguyên tử đơteri. Thế nhưng trong những lõi lạnh và đặc của các đám mây phân tử, nơi các ngôi sao ra đời, các phân tử chứa đơteri có thể dồi dào hơn tỉ lệ đó gợi ý nhiều bậc độ lớn. Ở nhiệt độ thấp như vậy, một vài phản ứng then chốt đều đặn dồn đơteri vào các phân tử, và hiệu ứng này tăng dần theo thời gian. Do đó, lượng đơteri trong một phân tử có thể hé lộ nó được hình thành khi nào và ở đâu.

Phân tử phức tạp phổ biến nhất

Metanol (CH₃OH) là “phân tử hữu cơ phức tạp” — các phân tử chứa cacbon có từ sáu nguyên tử trở lên — dồi dào nhất ở những vùng hình thành sao. Nó chủ yếu hình thành trong lớp áo băng của các hạt bụi trong giai đoạn lạnh trước khi một ngôi sao bùng sáng, và là bước đệm để tiến tới những phân tử phức tạp hơn.

Metanol có bốn nguyên tử hydro: ba ở đầu cacbon, một ở đầu oxy. Các dạng có một, hai hoặc ba nguyên tử đơteri ở phía cacbon đã được phát hiện trong vũ trụ. Dạng đơteri hóa hoàn toàn, CD₃OD, trong đó cả bốn đều là đơteri, mới chỉ có dấu hiệu gợi ý. Các dự đoán trong phòng thí nghiệm về dấu hiệu vô tuyến của nó đã có từ năm 2023.

Mười vạch từ IRAS4A2

A. Belloche, thuộc Viện Thiên văn Vô tuyến Max Planck ở Bonn, cùng các đồng nghiệp từ châu Âu, Mỹ và châu Á đã dùng COMPASS, một khảo sát lớn bằng mạng kính thiên văn vô tuyến ALMA nhắm vào mười một ngôi sao trẻ, khối lượng thấp có “hot corino” — những vùng ấm, nhỏ gọn nơi các phân tử trong băng bay hơi và phát sáng ở bước sóng vô tuyến. Họ tập trung vào IRAS4A2, một ngôi sao trong một cặp sao thuộc đám mây NGC 1333, cách 290 parsec. Đây cũng là nơi amoniac đơteri hóa hoàn toàn lần đầu tiên được nhận diện quanh một ngôi sao trẻ.

Quét các tần số bầu trời từ 279 đến 312 gigahertz, nhóm nghiên cứu mô hình hóa bức xạ của metanol và mọi biến thể của nó ở nhiệt độ khoảng 200 kelvin. Mọi biến thể metanol có dấu vân tay vô tuyến được công bố đều xuất hiện. Trong số đó có CD₃OD, với mười vạch được phát hiện rõ ràng. Đây là lần phát hiện chắc chắn đầu tiên metanol đơteri hóa hoàn toàn trong vũ trụ — và, các tác giả lưu ý, là lần nhận diện đầu tiên bất kỳ phân tử nào mang bốn nguyên tử đơteri trong môi trường liên sao. Nó chiếm khoảng 4 phần 10.000 lượng metanol ở đó.

Metanol ẩn mình

Kèm theo đó là một câu đố. So với các dạng hiếm chứa cacbon-13 và oxy-18, metanol thông thường có vẻ quá ít — ít hơn khoảng 7 đến 11 lần — trong khi các dạng hiếm thì so với nhau lại hợp lý. Các tác giả kết luận rằng lượng metanol thông thường có lẽ đã bị đánh giá thấp, có thể vì bức xạ của nó đến từ những cụm vón thay vì một đám mây đồng đều. Vì vậy, họ dùng các dạng hiếm làm vật thay thế để tính tỉ lệ đơteri.

Đơteri tích tụ vượt quá ngẫu nhiên

Nếu đơteri chỉ đơn giản thay thế hydro một cách ngẫu nhiên với một xác suất cố định, mọi biến thể sẽ chỉ về cùng một tỉ lệ đơteri trên hydro. Thay vào đó, tỉ lệ suy ra tăng theo số nguyên tử đơteri: khoảng 1% với các dạng mang một đơteri, 9 đến 23% với các dạng mang hai và ba đơteri, và khoảng 41% khi so CD₃OD với CH₃OD. Kiểu mẫu ở IRAS4A2 gần như giống hệt kiểu mẫu ở một ngôi sao trẻ khác, BHR71-IRS1, và tương tự các tiền sao khối lượng thấp khác.

Mô hình hụt ở phía nặng

Nhóm nghiên cứu so sánh các tỉ lệ này với năm mô hình hóa học đã công bố về cách metanol và các dạng đơteri hóa của nó tích tụ. Tất cả đều đánh giá thấp các dạng mang nhiều đơteri, thường từ một đến hai bậc độ lớn — và, với CD₃OD trong một mô hình, khoảng năm bậc độ lớn. Kết luận của các tác giả: một thành phần then chốt thúc đẩy metanol đơteri hóa nặng đang bị thiếu trong các mô hình hiện nay.

Phát hiện này cũng đưa ra một dự đoán. Hai biến thể còn lại, CH₂DOD và CHD₂OD, sẽ dễ dàng được phát hiện ở IRAS4A2 ngay khi các nhà quang phổ học trong phòng thí nghiệm cung cấp dấu hiệu vô tuyến của chúng. Một quan sát sắc nét hơn ở độ phân giải góc cao hơn cũng có thể cho biết metanol có thực sự nằm trong các cụm vón hay không.