TRONG VŨ TRỤ, PHÂN TỬ KÉM BỀN HƠN LẠI THẮNG

Nhiều phân tử được tìm thấy trong không gian được tạo nên chỉ từ bốn nguyên tố: hydro, cacbon, nitơ và oxy — những viên gạch của hóa học hữu cơ và tiền sinh học. Được sắp xếp đúng cách, chúng có thể tạo thành liên kết peptide, –C(=O)–N(–H)–, vốn nối các axit amin thành protein. Các tác giả coi nhóm isocyanat, –N=C=O, là cấu trúc con thiết yếu của nó: cùng một chuỗi N–C–O. Trong số hơn 350 phân tử được xác định giữa các vì sao, chỉ năm phân tử mang nhóm này, trong đó có axit isocyanic, HNCO.

Hai cách để thêm một proton

Axit isocyanic có thể nhận thêm một proton ở hai vị trí. Trên nguyên tử nitơ, nó trở thành H₂NCO⁺, cách sắp xếp bền nhất, đã được phát hiện trong không gian. Trên nguyên tử oxy, nó trở thành HNCOH⁺, một đồng phân — cùng các nguyên tử, cách sắp xếp khác — có năng lượng cao hơn 18 kilocalo mỗi mol — năng lượng của một chất khí ở khoảng 9.000 kelvin, vượt xa mức khoảng 100 kelvin của đám mây.

Lý thuyết và phòng thí nghiệm đều gợi ý rằng dạng thứ hai lẽ ra không hiếm. Những tính toán gần đây về phản ứng giữa ion H₃⁺ và HNCO, được cho là một trong những con đường chính hình thành các ion này, cho thấy nó tạo ra HNCOH⁺ trong khoảng 80% trường hợp. Trong một thí nghiệm phòng thí nghiệm, HNCOH⁺ nhiều gấp đôi H₂NCO⁺. Và một khi đã hình thành, HNCOH⁺ khó có thể biến thành người anh em sinh đôi bền hơn của mình: một hàng rào năng lượng cao chắn đường. Thế nhưng chưa ai từng thấy nó trong không gian.

Một đám mây bị rung chuyển bởi va chạm

Marta Rey-Montejo, thuộc Centro de Astrobiología của Tây Ban Nha, cùng các đồng nghiệp ở Tây Ban Nha, Đức, Nhật Bản, Hoa Kỳ và Chile đã hướng tới G+0.693-0.027, một đám mây phân tử gần trung tâm Ngân Hà. Các sóng xung kích quy mô lớn, có lẽ từ một vụ va chạm giữa các đám mây, bứt vật chất khỏi lớp vỏ băng và lõi của các hạt bụi và giải phóng nó vào pha khí. Điều đó khiến đám mây này trở thành một trong những nơi màu mỡ nhất để khám phá các phân tử mới.

Họ dùng một cuộc khảo sát siêu sâu đám mây này bằng ba kính thiên văn vô tuyến — các chảo Yebes 40 mét, IRAM 30 mét và APEX — bao phủ gần 150 GHz tần số trong khoảng từ 31 đến 275 GHz.

Bảy vạch, một phân tử

Một phân tử quay trong không gian phát xạ tại một chuỗi bậc thang các tần số vô tuyến chính xác, mỗi tần số hiện ra như một đỉnh hẹp — một vạch phổ. Chỉ hai bậc thấp nhất của HNCOH⁺ từng được đo trong phòng thí nghiệm, nên nhóm đã ngoại suy phần còn lại. Tám bậc rơi vào phạm vi khảo sát; bảy bậc có thể phân tích được, bậc thứ tám nằm dưới một vạch từ khí quyển Trái Đất.

Tất cả đều khớp. Phép khớp cho mật độ cột 9,9 × 10¹² phân tử trên mỗi centimét vuông dọc theo đường ngắm, độ phong phú khoảng 7,3 × 10⁻¹¹ so với hydro phân tử, và nhiệt độ khoảng 24 kelvin cho chuyển động quay của phân tử. Phần lớn các vạch này chưa từng được đo ở bất kỳ phòng thí nghiệm nào; từ chúng, nhóm đã suy ra giá trị đầu tiên cho mức độ phân tử bị kéo giãn khi quay, rất khớp với các tính toán hóa lượng tử.

Bảy vạch quay của HNCOH⁺ về phía G+0.693: phổ quan sát (xám), phép khớp cho HNCOH⁺ (đỏ), tất cả các phân tử đã biết (xanh lam). Cấu trúc của phân tử được thể hiện ở góc dưới bên phải. — Hình 1, Rey-Montejo et al. (2026), arXiv:2610.39654.

Người anh em kém bền hơn thắng

Với dữ liệu mới hơn, nhóm cũng đo lại người anh em bền hơn, H₂NCO⁺: 2,6 × 10¹² trên mỗi centimét vuông. Như vậy, HNCOH⁺ phong phú hơn 3,8 lần.

Nếu hai dạng chỉ đơn thuần phân bố theo năng lượng của chúng, ở nhiệt độ của đám mây khoảng 70 đến 140 kelvin, HNCOH⁺ sẽ hiếm hơn H₂NCO⁺ hơn 20 bậc độ lớn. Thay vào đó, độ phong phú của nó phản ánh cách nó được tạo ra: phản ứng hình thành các ion này ưu tiên dạng kém bền hơn. Các tác giả lưu ý rằng những họ đồng phân khác trong không gian cũng cho thấy cùng khuôn mẫu này, với các dạng năng lượng cao phổ biến ngang các dạng bền tương ứng. Hai ion này còn khác nhau ở tốc độ quay: HNCOH⁺ có vẻ ấm hơn H₂NCO⁺ (khoảng 24 so với 9 kelvin, trong khi bản thân chất khí ở khoảng 70 đến 140 kelvin). Theo các tác giả, một lý do khả dĩ là: HNCOH⁺ kém phân cực hơn, nên nó khó giải phóng năng lượng quay dưới dạng sóng vô tuyến hơn, và các va chạm với chất khí giữ cho nó quay nhanh hơn.

Sáu phân tử và còn tiếp tục

HNCOH⁺ là phân tử thứ sáu được tìm thấy trong không gian mang nhóm isocyanat. Các tác giả kêu gọi một nghiên cứu phòng thí nghiệm chuyên biệt để lập bản đồ toàn bộ phổ quay của nó. Bài học rộng hơn của họ là về cách hóa học vận hành giữa các vì sao: ở đó, cách sắp xếp nguyên tử bền nhất không nhất thiết là cách phổ biến nhất — điều quan trọng là con đường mà một phân tử ra đời.