Nye eksperimenter viser kompleks astrokemi på tynd is, der dækker støvkorn

Astronomer fra Max Planck Institute for Astronomy og University of Jena har fået et klarere overblik over naturens små dybe rumslaboratorier:bittesmå støvkorn dækket af is. I stedet for almindelige former dækket tykt af is, sådanne korn ser ud til at være luftige netværk af støv, med tynde islag. I særdeleshed, det betyder, at støvkornene har betydeligt større overflader, hvor de fleste kemiske reaktioner finder sted. Derfor, den nye struktur har grundlæggende konsekvenser for astronomernes syn på organisk kemi i rummet – og dermed for tilblivelsen af ​​præbiotiske molekyler, der kunne have spillet en vigtig rolle for livets oprindelse på Jorden.

At skabe komplekse molekyler i det dybe rum er alt andet end nemt. Efter bedste overbevisning, de naturlige laboratorier, hvor de nødvendige reaktioner finder sted, er interstellare støvkorn med iskolde overflader. Nu, nye eksperimentelle resultater af Alexey Potapov fra MPIA laboratoriets astrofysikgruppe ved Jena University og hans kolleger viser, at under realistiske forhold, islagene kan godt være så tynde, at selve støvkornenes overfladestruktur spiller en vigtig rolle.

Dette åbner op for et nyt studiefelt:De, der er interesserede i den kosmiske oprindelse af livets organiske forløbermolekyler, bliver nødt til at se nærmere på de forskellige egenskaber af overfladerne af kosmiske støvkorn, deres interaktion med små mængder is, og på den rolle, de resulterende komplekse miljøer spiller i at hjælpe med at syntetisere komplekse organiske molekyler.

Når vi tænker på, hvordan livet, og hvordan vi selv, er kommet til at være i dette univers, der er flere vigtige trin, omfattende fysik, kemi, og biologi. Så vidt vi ved, den tidligste biologi om vores egen oprindelseshistorie fandt sted her på Jorden, men det samme gælder ikke for hverken fysik eller kemi:De fleste kemiske elementer, herunder kulstof og nitrogen, er blevet skabt ved kernefusion inde i stjerner ("Vi er stjerneting, "som Carl Sagan berømt sagde).

Molekyler, herunder de organiske molekyler, der er nødvendige for at danne aminosyrer, eller vores eget DNA, kan dannes i det interstellare medium. Ved de få lejligheder, hvor sonder har formået at analysere kosmisk støv direkte, nemlig Stardust og Rosetta missionerne, analysen fandt komplekse molekyler, såsom den simple aminosyre glycin. I løbet af udviklingen af ​​et planetsystem, organiske molekyler kan transporteres til planetariske overflader af meteoritter og tidlige kometer.

Hvordan disse molekyler kan dannes i første omgang, i de næsten tomme vidder mellem stjerner, er slet ikke et simpelt spørgsmål. I det ydre rum, de fleste atomer og molekyler er en del af en ultratynd gas, med næsten ingen interaktion - endsige de interaktioner, der er nødvendige for at opbygge mere komplekse organiske molekyler.

I 1960'erne, astronomer interesseret i interstellar kemi begyndte at udvikle ideen om, at interstellare støvkorn kunne tjene som "interstellare laboratorier, " hvilket ville lette mere komplekse kemiske reaktioner. Sådanne korn, hvad enten det er kulstofbaseret eller silikatbaseret, typisk dannes i de ydre lag af kølige stjerner eller i kølvandet på supernovaeksplosioner. I en sky af gas og støv, forskellige slags molekyler klæber til det (kolde) korn, molekyler ville akkumulere, og til sidst, interessante kemiske reaktioner ville finde sted. Specifikt, det ville tage i størrelsesordenen 100, 000 år for et støvkorn at akkumulere en kappe af is (for det meste vandis, men også nogle andre molekyler som kulilte). Dette iskolde lag ville derefter tjene som et lille kosmisk kemi-laboratorium.

Astronomer interesseret i dette emne indså hurtigt, at de havde brug for eksperimenter for at fortolke deres observationer af interstellare gasskyer. De skulle studere isdækkede støvkorn og deres interaktion med molekyler i laboratorier her på Jorden. Til denne ende, de ville bruge vakuumkamre, simulerer rummets tomhed, samt passende temperaturer. Da antagelsen dengang var, at det, der talte, var kemi på den iskolde overflade, det blev almindelig praksis at bruge islag til sådanne eksperimenter, påføres på en almindelig overflade, såsom en kaliumbromid (KBr) krystalplade eller en metaloverflade. Men det, de nye resultater viser, kan kun være en del af billedet, i bedste fald.

Planetdannelse, samt søgen efter livets oprindelse, er centrale forskningsmål for Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), og iskolde støvkorn spiller en vigtig rolle for begge. Det er derfor, siden 2003, MPIA har opretholdt en Laboratory Astrophysics and Cluster Physics Group ved Institute of Solid State Physics ved Friedrich Schiller University, Jena.

En del af gruppens udstyr er lasere, der kan bruges til at skabe kunstige kosmiske støvkorn. Til denne ende, en laser peger på en grafitprøve, eroderer (ablaterer) små partikler fra overfladen, blot nanometer på tværs (hvor en nanometer er en milliardtedel af en meter). Da Alexey Potapov fra Jena Laboratory Astrophysics-gruppen, hovedforfatteren af ​​det nye papir, og hans kolleger studerede sådanne kunstige støvkorn, at få forskellige slags is til at dannes på deres overflader, de begyndte at være i tvivl om standardbilledet af kemi på tykke iskolde overflader.

I stedet for korn helt dækket med flere lag fast is (vandis, eller kulilteis) som et løg, de støvkorn, de producerede i laboratoriet, holde sig så tæt som muligt på realistiske dybe rumforhold, blev forlænget, mange-trillede former - luftige netværk af støv og is.

Med denne form, deres samlede overfladeareal er meget større (en faktor på et par hundrede) end for simplere former, og dette er en game-changer for beregninger af, hvordan den detekterede mængde vand i molekylære skyer ville dække nogle korn:Fra korn med lavt overfladeareal, således dækket fuldstændigt af det tilgængelige vand, vi kommer i stedet til en mere udvidet overflade, der vil have tykkere lag nogle steder, mens der andre steder ikke er mere end et enkelt lag iskrystaller – simpelthen fordi der ikke er vand nok til at dække hele det enormt udvidede overfladeareal med flere lag is.

Denne struktur har store konsekvenser for iskolde støvkorners rolle som små kosmiske laboratorier. Kemiske reaktioner afhænger af molekyler, der har sat sig fast på overfladen, og hvordan disse molekyler kan bevæge sig rundt (sprede sig), møde andre molekyler, reagere, sidde fast, eller løsnet igen. Disse miljøforhold er helt anderledes i det nye, fluffy, støvet version af de kosmiske laboratorier.

Potapov siger, "Nu hvor vi ved, at støvkorn betyder noget, en ny spiller er kommet ind i det astrokemiske spil. At vide, at den nye spiller er der, giver os en bedre chance for at forstå de grundlæggende kemiske reaktioner, på et senere tidspunkt, kunne have ført til fremkomsten af ​​liv i universet."

Også, hvis kornene ikke er skjult under tykke islag, men kan interagere med de molekyler, der klæber til overfladen, de kan fungere som katalysatorer, ændre hastigheden af ​​kemiske reaktioner ved deres blotte tilstedeværelse. Pludselig, visse reaktioner for dannelsen af ​​organiske molekyler som formaldehyd, eller visse ammoniakforbindelser, burde blive meget mere almindeligt. Begge er vigtige forløbere for præbiotiske molekyler - så denne ændring i fokus ville have en direkte effekt på vores forklaringer på livets kemiske forhistorie på Jorden.

Medforfatter og MPIA-direktør Thomas Henning siger, "Dette er spændende nye retninger i søgen efter dannelsen af ​​komplekse molekyler i rummet. For at følge op, MPIA har netop åbnet sit nye "Origins of Life" laboratorium, som er skræddersyet til denne nye type forskning."

Mere generelt, de nye resultater, sammen med en række lignende resultater opnået i tidligere forsøg, udgør et wake-up call for det astrokemiske samfund:Hvis du ønsker at forstå astrokemi i det interstellare medium, og dets konsekvenser for livets oprindelse, bevæge sig væk fra iskolde løg. Omfavn rollen som støvoverflader. Omfavn den mulige blødhed i naturens små kosmiske laboratorier.