Døende stjerner kunne udså interstellart medium med kulstofnanorør

Beviser tyder på, at kulstofnanorør, bittesmå rør bestående af rent kulstof, kunne blive smedet i hylstrene af støv og gas omkring døende stjerner. Resultaterne foreslår en enkel, men elegant mekanisme til dannelse og overlevelse af komplekse kulstofmolekyler i rummet.

I midten af ​​1980'erne vakte opdagelsen af ​​komplekse kulstofmolekyler, der drev gennem det interstellare medium, betydelig opmærksomhed, hvor de muligvis mest berømte eksempler var Buckminsterfulleren eller "buckyballs" - sfærer bestående af 60 eller 70 kulstofatomer. Forskere har dog kæmpet for at forstå, hvordan disse molekyler kan dannes i rummet.

I et papir, der er accepteret til offentliggørelse i Journal of Physical Chemistry A , foreslår forskere fra University of Arizona en overraskende simpel forklaring. Efter at have udsat siliciumcarbid - en almindelig ingrediens i støvkorn i planetariske tåger - for forhold svarende til dem, der findes omkring døende stjerner, observerede forskerne den spontane dannelse af kulstofnanorør, som er stærkt strukturerede stavlignende molekyler bestående af flere lag kulstofplader . Resultaterne blev præsenteret den 16. juni ved det 240. møde i American Astronomical Society i Pasadena, Californien.

Anført af UArizona-forsker Jacob Bernal bygger arbejdet på forskning offentliggjort i 2019, hvor gruppen viste, at de kunne skabe buckyballs ved hjælp af den samme eksperimentelle opsætning. Arbejdet tyder på, at buckyballs og kulstofnanorør kan dannes, når siliciumcarbidstøv lavet af døende stjerner rammes af høje temperaturer, chokbølger og højenergipartikler, der udvasker silicium fra overfladen og efterlader kulstof.

Resultaterne understøtter ideen om, at døende stjerner kan så det interstellare medium med nanorør og muligvis andre komplekse kulstofmolekyler. Resultaterne har implikationer for astrobiologien, da de giver en mekanisme til at koncentrere kulstof, som derefter kan transporteres til planetsystemer.

"Vi ved fra infrarøde observationer, at buckyballs befolker det interstellare medium," sagde Bernal, en postdoktoral forskningsmedarbejder i UArizona Lunar and Planetary Laboratory. "Det store problem har været at forklare, hvordan disse massive, komplekse kulstofmolekyler muligvis kunne dannes i et miljø mættet med brint, hvilket er, hvad du typisk har omkring en døende stjerne."

Dannelsen af ​​kulstofrige molekyler, endsige arter indeholdende rent kulstof, i nærvær af brint er praktisk talt umulig på grund af termodynamiske love. De nye undersøgelsesresultater tilbyder et alternativt scenarie:I stedet for at samle individuelle kulstofatomer, kan buckyballs og nanorør være resultatet af blot at omarrangere strukturen af ​​grafen - enkeltlagede kulstofplader, der vides at dannes på overfladen af ​​opvarmede siliciumcarbidkorn.

Dette er præcis, hvad Bernal og hans medforfattere observerede, da de opvarmede kommercielt tilgængelige siliciumcarbidprøver til temperaturer, der forekommer i døende eller døde stjerner og afbildede dem. Da temperaturen nærmede sig 1.050 grader Celsius, blev små halvkugleformede strukturer med en omtrentlig størrelse på omkring 1 nanometer observeret ved kornoverfladen. Inden for få minutter efter fortsat opvarmning begyndte de sfæriske knopper at vokse til stavlignende strukturer, indeholdende flere grafenlag med krumning og dimensioner, der indikerer en rørformet form. De resulterende nanorør varierede fra omkring 3 til 4 nanometer i længde og bredde, større end buckyballs. De største afbildede prøver bestod af mere end fire lag grafitisk carbon. Under opvarmningseksperimentet blev rørene observeret at vrikke, før de spirede fra overfladen og blev suget ind i vakuumet omkring prøven.

"Vi var overraskede over, at vi kunne lave disse ekstraordinære strukturer," sagde Bernal. "Kemisk er vores nanorør meget enkle, men de er ekstremt smukke."

Opkaldt efter deres lighed med arkitektoniske værker af Richard Buckminster Fuller, er fullerener de største molekyler, der i øjeblikket er kendt for at forekomme i det interstellare rum, som i årtier blev antaget at være blottet for molekyler, der indeholder mere end et par atomer, højst 10. Det er nu veletableret, at fullerenerne C60 og C70, som indeholder henholdsvis 60 eller 70 carbonatomer, er almindelige ingredienser i det interstellare medium.

Et af de første af sin slags i verden, transmissionselektronmikroskopet, der er anbragt på Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility i UArizona, er unikt egnet til at simulere planetarisk tågemiljø. Dens 200.000 volt elektronstråle kan sondere stof ned til 78 picometer - afstanden mellem to brintatomer i et vandmolekyle - hvilket gør det muligt at se individuelle atomer. Instrumentet fungerer i et vakuum, der ligner det tryk – eller mangel på samme – som menes at eksistere i cirkumstellære miljøer.

Mens et sfærisk C60-molekyle måler 0,7 nanometer i diameter, målte de nanorørstrukturer, der blev dannet i dette eksperiment, flere gange størrelsen af ​​C60, og oversteg let 1.000 kulstofatomer. Forfatterne af undersøgelsen er overbeviste om, at deres eksperimenter nøjagtigt replikerede temperatur- og tæthedsforholdene, der ville forventes i en planetarisk tåge, sagde medforfatter Lucy Ziurys, en UArizona Regents-professor i astronomi, kemi og biokemi.

"Vi ved, at råmaterialet er der, og vi ved, at forholdene er meget tæt på, hvad du ville se i nærheden af ​​en døende stjernes konvolut," sagde hun. "Der er chokbølger, der passerer gennem hylsteret, så temperatur- og trykforholdene har vist sig at eksistere i rummet. Vi ser også buckyballs i disse planetariske tåger - med andre ord, vi ser begyndelsen og slutprodukterne, du ville forvente i vores eksperimenter."

Disse eksperimentelle simuleringer tyder på, at kulstof nanorør sammen med de mindre fullerener efterfølgende injiceres i det interstellare medium. Carbon nanorør er kendt for at have høj stabilitet mod stråling, og fullerener er i stand til at overleve i millioner af år, når de er tilstrækkeligt afskærmet mod højenergisk kosmisk stråling. Kulstofrige meteoritter, såsom kulstofholdige kondritter, kunne også indeholde disse strukturer, foreslår forskerne.

Ifølge undersøgelsens medforfatter Tom Zega, en professor i UArizona Lunar and Planetary Lab, er udfordringen at finde nanorør i disse meteoritter på grund af de meget små kornstørrelser, og fordi meteoritterne er en kompleks blanding af organiske og uorganiske materialer, nogle med størrelser svarende til nanorørs.

"Ikke desto mindre tyder vores eksperimenter på, at sådanne materialer kunne være dannet i det interstellare rum," sagde Zega. "Hvis de overlevede rejsen til vores lokale del af galaksen, hvor vores solsystem blev dannet for omkring 4,5 milliarder år siden, så kunne de blive bevaret inde i det materiale, der var tilovers."

Zega said a prime example of such leftover material is Bennu, a carbonaceous near-Earth asteroid from which NASA's UArizona-led OSIRIS-REx mission scooped up a sample in October 2020. Scientists are eagerly awaiting the arrival of that sample, scheduled for 2023.

"Asteroid Bennu could have preserved these materials, so it is possible we may find nanotubes in them," Zega said. + Explore further

Mysteries behind interstellar buckyballs finally answered