貓爪星雲，也被稱爲NGC 6334星雲，是一個位于天蠍座方向的紅色發射星雲，距離地球大約5500光年遠。這個星雲因其獨特的形狀而得名，其內部的發光氣體雲看起來像一個巨大的貓爪子。貓爪星雲是一個活躍的恒星形成區域，橫跨大約50光年的宇宙空間，覆蓋的天區面積比滿月還要稍大一些。在貓爪星雲中，星際氣體和塵埃相互混合並凝結，形成了新恒星，因此它有時也被稱爲“宇宙托兒所”。天文學家估計，在貓爪星雲內可能存在著成千上萬顆恒星，其中一些可能是質量接近太陽十倍的亮藍色恒星，它們僅誕生數百萬年。貓爪星雲的紅色輝光主要來自于星雲中發光的氫氣，在新生恒星的高溫輻射下，這些氫氣會發出紅色光芒。此外，貓爪星雲的圖片通常呈現出神奇的粉紅色和紫色，這是通過不同顔色的濾鏡拍攝並合成得到的圖像，其中一個特別的濾鏡能夠捕捉到氫氣發出的光線。

最近，研究人員在貓爪星雲中，檢測到了一種異常大的、以前未被探測到的分子。這種化合物名爲2-甲氧基乙醇，由13個原子組成，是科學家們在4月12日的《天體物理學雜志快報》上報道的，迄今爲止在太陽系外識別出的最大的分子之一。

我們常常認爲太空是星體間一片空洞的虛無，但這種看似的空無其實充滿了化學活動，原子結合和分離，經過數百萬年形成恒星和行星。了解甲烷、乙醇和甲醛等簡單有機分子是如何形成的，有助于科學家構建恒星和星系如何誕生，以及生命如何開始的畫面。

探測構成生命的基本元素其實是一項極具挑戰性的任務。想象一下，每個分子都擁有自己的獨特“身份證”——也就是它們能夠吸收的一系列特定顔色的光，這被稱爲分子的能量“條形碼”。在微觀的量子世界裏，每當分子吸收了這些特定顔色的光，就意味著它從一個能量狀態跳到了另一個能量狀態。每個分子都有自己獨特的一組能量狀態，而這些跳躍可以在這些狀態之間發生。

在地球上的實驗室裏，測量這些分子的能量“條形碼”是相對容易的。但是，當天體化學家想要在浩瀚的宇宙中找到同樣的分子時，他們就必須在太空中尋找與這些“條形碼”相匹配的能量特征。這就像是在星空中尋找一個非常特定的光的模式，需要極高的精確度和先進的技術。

麻省理工學院的天體化學家、第一作者紮卡裏·弗裏德介紹到：“當我們用射電望遠鏡觀察星際源時，我們可以收集這些空間區域氣態分子的旋轉信號，因爲太空中的分子遵循與地球上相同的量子力學定律，望遠鏡數據中觀察到的旋轉躍遷應該與實驗室測量的躍遷一致。”

這正是弗裏德和他的同事們——由麻省理工學院化學助理教授布雷特·麥奎爾領導的研究團隊的一部分——如何探測到2-甲氧基乙醇的方式，這是一種13個原子的分子，其中乙醇的一個氫原子被一個更複雜的甲氧基(O-CH3)團所取代。這種複雜性在太陽系外特別不尋常，迄今爲止只檢測到六個比13個原子大的“物種”。

“這些分子通常比那些形成途徑更簡單的較小烴類要少得多，”弗裏德說。“此外，這些分子的光譜信號分布在更多的躍遷上，因此使得單個光譜峰值更弱，更難以觀察。”但這並不僅僅是運氣讓團隊做出了這一發現；他們還使用了人工智能。該團隊此前開發了一種機器學習方法，用于模擬不同空間區域不同分子種類的豐度。“使用這些訓練有素的模型，我們可以預測哪些未檢測到的分子可能非常豐富，因此是強有力的探測候選者，”弗裏德說。

含甲氧基的物種此前已在貓爪星雲的一部分，也稱爲NGC 63341，以及位于地球457光年外的羅氏歐菲奇雲團中的雙星系統IRAS 16293中被探測到。因此，團隊對在哪裏尋找新分子有了一個很好的想法。

弗裏德首先在實驗室測量了2-甲氧基乙醇樣本的旋轉光譜；他記錄了該分子的2172個可能的能量信號。然後，團隊使用位于智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA），一組66個射電望遠鏡，收集了貓爪星雲和IRAS 16293的讀數，並分析了2-甲氧基乙醇的獨特能量特征的信號。雖然在IRAS 16293中沒有檢測到相應的能量痕迹，但團隊最終從貓爪星雲識別出25個匹配的信號，並確認了2-甲氧基乙醇在這一恒星形成區域的存在。

“這使我們能夠研究這些源的不同物理條件如何影響可能發生的化學過程，”弗裏德說。“我們假設了這種化學分化的幾個原因，包括輻射場強度的變化，以及這兩個源[在不同階段]的恒星形成中的不同塵埃溫度。”

團隊希望這些發現可以爲未來識別太空中其他尚未檢測到的分子的研究提供信息。

“這些途徑的可行性和效率可以與星際源的物理條件緊密相關，”弗裏德說。“通過研究哪些其他種類的物種參與了檢測到的分子的形成和破壞，我們可以確定其他可能成爲探測候選者的物種。”