Mysteriet med fullerener i rummet forklaret

En undersøgelse fra Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), der kombinerer laboratoriekemi med astrofysik, har for første gang vist, at støvkorn dannet af kulstof og brint i en meget uordnet tilstand, kendt som HAC, kan deltage i dannelsen af fullerener, kulstofmolekyler, som er af central betydning for udviklingen af ​​liv i universet, og med potentielle anvendelser inden for nanoteknologi. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Astronomy &Astrophysics .

Fullerener er kulstofmolekyler, der er meget store, komplekse og meget modstandsdygtige; deres atomer er organiseret i tredimensionelle sfæriske strukturer, med et mønster af alternerende sekskanter og femkanter, formet som en fodbold (C₆₀ fullerenes) eller en rugbybold (C₇₀ fullerener).

Disse molekyler blev opdaget i laboratoriet i 1985, som erhvervede Nobelprisen i kemi til deres tre opdagere 11 år senere. Siden da har der været mange tilfælde af observationsbeviser for deres eksistens i rummet, især i gasskyerne omkring gamle, døende stjerner på størrelse med solen, kaldet planetariske tåger, som er blevet udstødt fra stjernernes ydre lag mod slutningen af ​​deres liv.

Da disse molekyler er meget stabile og svære at ødelægge, menes det, at fullerenerne kan fungere som bure for andre molekyler og atomer, så de kunne have bragt komplekse molekyler til Jorden, hvilket gav en impuls til at starte liv. Så deres undersøgelse er vigtig for forståelsen af ​​de grundlæggende fysiske processer, der deltager i organiseringen af ​​organisk materiale i universet.

Et ukendt kemisk fodaftryk

Spektroskopi er afgørende for søgning og identifikation af fullerener i rummet. Spektroskopi giver os mulighed for at studere det materiale, der udgør universet, ved at analysere de kemiske fodaftryk, som atomer og molekyler har på lyset, der når os fra dem.

En nylig undersøgelse, ledet udelukkende af IAC, har analyseret infrarøde spektroskopiske data, der tidligere er opnået fra teleskoper i rummet, fra den planetariske tåge Tc1. Disse spektre viser spektrallinjer, der indikerer tilstedeværelsen af ​​fullerener, men viser også bredere infrarøde bånd (UIR for deres initialer på engelsk), som detekteres bredt i universet, fra de små legemer i solsystemet til fjerne galakser.

"Identifikationen af ​​den kemiske art, der forårsager denne infrarøde emission, som er meget til stede i universet, var et astrokemisk mysterium, selvom det altid blev anset for sandsynligt, at det er rig på kulstof, et af de grundlæggende elementer i livet," forklarer Marco A. Gómez Muñoz, en IAC-forsker, der ledede denne undersøgelse.

En ny oprindelse for fullerenerne

For at identificere disse mystiske bånd reproducerede forskerholdet den infrarøde emission fra den planetariske tåge Tc 1. Analyse af emissionsbåndene viste tilstedeværelsen af ​​korn af amorft hydrogeneret carbon (HAC). Disse forbindelser af kulstof og brint i en meget uordnet tilstand, meget rigeligt i hylstrene af døende stjerner, kan forklare den infrarøde emission af denne tåge.

"Vi har for første gang kombineret de optiske konstanter for HAC, opnået fra laboratorieforsøg, med modeller for fotoionisering, og ved at gøre dette har vi reproduceret den infrarøde emission fra den planetariske tåge Tc 1, som er meget rig på fullerener ," forklarer Domingo Anibal García Hernández, en IAC-forsker, som er medforfatter til papiret.

For forskerholdet understøtter tilstedeværelsen af ​​det samme objekt af HAC og fullerener teorien om, at fullerenerne kunne være dannet under processen med ødelæggelse af støvkornene, for eksempel ved interaktion med ultraviolet stråling, som er meget mere energisk end synlig lys.

Med dette resultat har forskerne åbnet vejen for fremtidig forskning baseret på samarbejde mellem laboratoriekemi og astrofysik. "Vores arbejde viser klart det store potentiale i tværfaglig videnskab og teknologi til at gøre grundlæggende fremskridt inden for astrofysik og astrokemi," konkluderer Gómez Muñoz.

Flere oplysninger: M. A. Gómez-Muñoz et al., Hydrogenerede amorfe kulstofkorn som en alternativ bærer af 9-13 μm plateauet i den fulleren planetariske tåge Tc 1, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202349087

Journaloplysninger: Astronomi og astrofysik

Leveret af Instituto de Astrofísica de Canarias