Kemiske ingeniører forklarer iltmysterium på kometer

En kemiingeniør fra Caltech, der normalt udvikler nye måder at fremstille mikroprocessorer i computere på, har fundet ud af, hvordan man forklarer et nagende mysterium i rummet - hvorfor kometer udstøder iltgas, den samme gas vi mennesker indånder.

Opdagelsen af, at kometer producerer iltgas - også kaldet molekylær oxygen eller O2 - blev annonceret i 2015 af forskere, der studerede kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko med Den Europæiske Rumorganisations Rosetta-rumfartøj. Missionen fandt uventet rigelige niveauer af molekylært ilt i kometens atmosfære. Molekylær oxygen i rummet er meget ustabil, da ilt foretrækker at parre sig med brint for at lave vand, eller kulstof til at lave kuldioxid. Ja, O2 er kun blevet detekteret to gange tidligere i rummet i stjernedannende tåger.

Forskere har foreslået, at den molekylære ilt på kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko kan være tøet op fra dens overflade efter at have været frosset inde i kometen siden solsystemets daggry for 4,6 milliarder år siden. Men spørgsmålene består, fordi nogle forskere siger, at ilten burde have reageret med andre kemikalier i hele den tid.

Professor i kemiteknik ved Caltech, Konstantinos P. Giapis, begyndte at se på Rosetta-dataene, fordi de kemiske reaktioner, der skete på kometens overflade, lignede dem, han har udført i laboratoriet i de sidste 20 år. Giapis studerer kemiske reaktioner, der involverer højhastighedsladede atomer, eller ioner, kolliderer med halvlederoverflader som et middel til at skabe hurtigere computerchips og større digitale hukommelser til computere og telefoner.

"Jeg begyndte at interessere mig for rummet og ledte efter steder, hvor ioner ville blive accelereret mod overflader, " siger Giapis. "Efter at have set på målinger foretaget på Rosettas komet, især med hensyn til energierne fra de vandmolekyler, der rammer kometen, det hele klikkede. Det, jeg har studeret i årevis, sker lige her på denne komet."

I en ny Naturkommunikation undersøgelse, Giapis og hans medforfatter, postdoc Yunxi Yao, demonstrere i laboratoriet, hvordan kometen kunne producere ilt. I bund og grund, vanddampmolekyler strømmer fra kometen, når det kosmiske legeme opvarmes af solen. Vandmolekylerne bliver ioniserede, eller opkrævet, ved ultraviolet lys fra solen, og så blæser solens vind de ioniserede vandmolekyler tilbage mod kometen. Når vandmolekylerne rammer kometens overflade, som indeholder ilt bundet i materialer som rust og sand, molekylerne optager endnu et iltatom fra disse overflader, og der dannes O2.

Med andre ord, den nye forskning antyder, at den molekylære ilt, som Rosetta har fundet, ikke behøver at være primordial, men kan produceres i realtid på kometen.

"Vi har vist eksperimentelt, at det er muligt at danne molekylært oxygen dynamisk på overfladen af ​​materialer, der ligner dem, der findes på kometen, " siger Yao.

"Vi anede ikke, da vi byggede vores laboratorieopstillinger, at de ville ende med at gælde for kometernes astrofysik, " siger Giapis. "Denne originale kemimekanisme er baseret på den sjældent overvejede klasse af Eley-Rideal-reaktioner, som opstår når hurtigt bevægende molekyler, vand i dette tilfælde, kollidere med overflader og udvinde atomer, der bor der, danner nye molekyler. Alle nødvendige betingelser for sådanne reaktioner eksisterer på kometen 67P."

Andre astrofysiske legemer, såsom planeter uden for vores solsystem, eller exoplaneter, kan også producere molekylært oxygen med en lignende "abiotisk" mekanisme - uden behov for liv. Dette kan påvirke, hvordan forskere søger efter tegn på liv på exoplaneter i fremtiden.

"Oxygen er et vigtigt molekyle, som er meget undvigende i det interstellare rum, " siger astronom Paul Goldsmith fra JPL, som administreres af Caltech for NASA. Goldsmith er NASA-projektforsker for Den Europæiske Rumorganisations Herschel-mission, som foretog den første bekræftede påvisning af molekylær ilt i rummet i 2011. "Denne produktionsmekanisme, der blev studeret i professor Giapis' laboratorium, kunne fungere i en række miljøer og viser den vigtige sammenhæng mellem laboratorieundersøgelser og astrokemi."

Det Naturkommunikation papiret har titlen "Dynamisk molekylær iltproduktion i kometer."