Een chemisch ingenieur van Caltech die normaal gesproken nieuwe manieren ontwikkelt om microprocessors in computers te fabriceren, heeft ontdekt hoe een zeurend mysterie in de ruimte kan worden verklaard:waarom kometen zuurstofgas uitstoten, hetzelfde gas dat wij mensen inademen.

De ontdekking dat kometen zuurstofgas produceren - ook wel moleculaire zuurstof of O2 genoemd - werd in 2015 aangekondigd door onderzoekers die de komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko bestudeerden met het Rosetta-ruimtevaartuig van de European Space Agency. De missie vond onverwacht overvloedige hoeveelheden moleculaire zuurstof in de atmosfeer van de komeet. Moleculaire zuurstof in de ruimte is zeer onstabiel, omdat zuurstof de voorkeur geeft aan waterstof om water te maken, of koolstof om koolstofdioxide te maken. Inderdaad, O2 is slechts twee keer eerder in de ruimte gedetecteerd in stervormende nevels.

Wetenschappers hebben gesuggereerd dat de moleculaire zuurstof op komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko van het oppervlak zou kunnen zijn ontdooid nadat het sinds het begin van het zonnestelsel 4,6 miljard jaar geleden in de komeet was bevroren. Maar er blijven vragen bestaan ​​omdat sommige wetenschappers zeggen dat de zuurstof al die tijd met andere chemicaliën had moeten reageren.

Een professor in chemische technologie aan Caltech, Konstantinos P. Giapis, begon naar de Rosetta-gegevens te kijken omdat de chemische reacties die op het oppervlak van de komeet plaatsvonden, vergelijkbaar waren met de reacties die hij de afgelopen 20 jaar in het laboratorium heeft uitgevoerd. Giapis bestudeert chemische reacties waarbij met hoge snelheid geladen atomen betrokken zijn, of ionen, botsen met halfgeleideroppervlakken als middel om snellere computerchips en grotere digitale geheugens voor computers en telefoons te creëren.

"Ik begon me in de ruimte te interesseren en was op zoek naar plaatsen waar ionen zouden worden versneld tegen oppervlakken, "zegt Giapis. "Na te hebben gekeken naar metingen gedaan op Rosetta's komeet, in het bijzonder met betrekking tot de energieën van de watermoleculen die de komeet raken, het klikte allemaal. Wat ik al jaren bestudeer, gebeurt hier op deze komeet."

in een nieuwe Natuurcommunicatie studie, Giapis en zijn co-auteur, postdoctoraal wetenschapper Yunxi Yao, demonstreren in het laboratorium hoe de komeet zuurstof zou kunnen produceren. In principe, waterdampmoleculen stromen van de komeet terwijl het kosmische lichaam wordt verwarmd door de zon. De watermoleculen worden geïoniseerd, of opgeladen, door ultraviolet licht van de zon, en dan blaast de wind van de zon de geïoniseerde watermoleculen terug naar de komeet. Wanneer de watermoleculen het oppervlak van de komeet raken, die zuurstof bevat gebonden in materialen zoals roest en zand, de moleculen nemen een ander zuurstofatoom van deze oppervlakken op en O2 wordt gevormd.

Met andere woorden, het nieuwe onderzoek impliceert dat de door Rosetta gevonden moleculaire zuurstof niet primordiaal hoeft te zijn, maar in realtime op de komeet kan worden geproduceerd.

"We hebben experimenteel aangetoond dat het mogelijk is om moleculaire zuurstof dynamisch te vormen op het oppervlak van materialen die vergelijkbaar zijn met die op de komeet, ' zegt Yao.

"Toen we onze laboratoriumopstellingen bouwden, hadden we geen idee dat ze zouden worden toegepast op de astrofysica van kometen, ", zegt Giapis. "Dit originele scheikundige mechanisme is gebaseerd op de zelden beschouwde klasse van Eley-Rideal-reacties, die optreden bij snel bewegende moleculen, water in dit geval botsen met oppervlakken en atomen eruit halen die zich daar bevinden, nieuwe moleculen vormen. Alle noodzakelijke voorwaarden voor dergelijke reacties bestaan ​​op komeet 67P."

Andere astrofysische lichamen, zoals planeten buiten ons zonnestelsel, of exoplaneten, kan ook moleculaire zuurstof produceren met een soortgelijk "abiotisch" mechanisme - zonder dat er leven nodig is. Dit kan van invloed zijn op hoe onderzoekers in de toekomst naar tekenen van leven op exoplaneten zoeken.

"Zuurstof is een belangrijk molecuul, die zeer ongrijpbaar is in de interstellaire ruimte, " zegt astronoom Paul Goldsmith van JPL, die wordt beheerd door Caltech voor NASA. Goldsmith is de NASA-projectwetenschapper voor de Herschel-missie van de European Space Agency, die in 2011 de eerste bevestigde detectie van moleculaire zuurstof in de ruimte maakte. "Dit productiemechanisme dat in het laboratorium van professor Giapis werd bestudeerd, zou in verschillende omgevingen kunnen werken en toont het belangrijke verband tussen laboratoriumonderzoek en astrochemie."

De Natuurcommunicatie paper is getiteld "Dynamische moleculaire zuurstofproductie in komeetcoma."