De grootste maan van Saturnus, Titan, is uniek onder alle manen in ons zonnestelsel vanwege zijn dichte en stikstofrijke atmosfeer die ook koolwaterstoffen en andere verbindingen bevat, en het verhaal achter de vorming van deze rijke chemische mix is ​​de bron van enig wetenschappelijk debat geweest.

Nutsvoorzieningen, een onderzoekssamenwerking waarbij wetenschappers van de afdeling Chemische Wetenschappen van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy zijn betrokken, heeft zich gericht op een chemisch mechanisme bij lage temperaturen dat mogelijk heeft geleid tot de vorming van moleculen met meerdere ringen - de voorlopers van complexere chemie nu gevonden in de bruinoranje waaslaag van de maan.

De studie, mede geleid door Ralf Kaiser aan de Universiteit van Hawaï in Manoa en gepubliceerd in de 8 oktober-editie van het tijdschrift Natuurastronomie , druist in tegen de theorieën dat reactiemechanismen bij hoge temperaturen nodig zijn om de chemische samenstelling te produceren die satellietmissies hebben waargenomen in de atmosfeer van Titan.

Het team omvatte ook andere onderzoekers van Berkeley Lab, de Universiteit van Hawaï in Manoa, Samara Universiteit in Rusland, en de Internationale Universiteit van Florida. Het team gebruikte vacuüm-ultraviolet-lichtexperimenten bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), samen met computersimulaties en modelleringswerk om de chemische reacties te demonstreren die bijdragen aan de hedendaagse atmosferische chemie van Titan.

"We leveren hier bewijs voor een reactiepad bij lage temperaturen waar mensen niet aan hebben gedacht, " zei Musahid Ahmed, een wetenschapper in de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab en co-leider van de studie bij de ALS. "Dit geeft aanleiding tot een ontbrekende schakel in de chemie van Titan."

Titan kan aanwijzingen opleveren voor de ontwikkeling van complexe chemie op andere manen en planeten, inclusief aarde, hij legde uit. "Mensen gebruiken Titan om na te denken over een 'prebiotische' aarde - toen stikstof meer voorkwam in de vroege atmosfeer van de aarde."

benzeen, een eenvoudige koolwaterstof met een moleculaire structuur met zes koolstofatomen, is gedetecteerd op Titan en wordt verondersteld een bouwsteen te zijn voor grotere koolwaterstofmoleculen met twee- en drieringstructuren die, beurtelings, vormden andere koolwaterstoffen en aerosoldeeltjes die nu de atmosfeer van Titan vormen. Deze koolwaterstofmoleculen met meerdere ringen staan ​​bekend als polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's).

In de laatste studie, onderzoekers mengden twee gassen - een kortlevende PAK met twee ringen bekend als een naftylradicaal (C10H7) en een koolwaterstof genaamd vinylacetyleen (C4H4) - bij de ALS, en produceerde daarbij PAK's met drie ringen. Beide chemicaliën die worden gebruikt om de reactie aan te sturen, worden verondersteld op Titan te bestaan ​​op basis van wat bekend is over de chemische samenstelling van zijn atmosfeer.

De ALS-experimenten joegen de eindproducten van de reacties weg uit een kleine reactiekamer. Onderzoekers gebruikten een detector die bekend staat als een reflectron time-of-flight massaspectrometer om de massa van moleculaire fragmenten te meten die bij de reactie van de twee gassen worden geproduceerd. Die metingen leverden details op over de chemie van de driering-PAK's (fenantreen en antraceen).

Terwijl de ALS-experimenten een chemische reactor gebruikten om de chemische reactie te simuleren en een straal van vacuüm ultraviolet licht om de producten van de reactie te detecteren, ondersteunende berekeningen en simulaties toonden aan hoe de chemicaliën die in de ALS-experimenten werden gevormd geen hoge temperaturen nodig hebben.

PAK's zoals de chemicaliën die bij de ALS zijn bestudeerd, hebben eigenschappen waardoor ze bijzonder moeilijk te identificeren zijn in de verre ruimte, zei Keizer. "In feite, geen enkele, individuele PAK is gedetecteerd in de gasfase van het interstellaire medium, " dat is het materiaal dat de ruimte tussen de sterren vult.

Hij voegde toe, "Onze studie toont aan dat PAK's meer verspreid zijn dan verwacht, omdat ze niet de hoge temperaturen nodig hebben die aanwezig zijn rond koolstofsterren. Dit mechanisme dat we hebben onderzocht, is naar verwachting veelzijdig en zal naar verwachting leiden tot de vorming van nog complexere PAK's."

En omdat PAK's worden beschouwd als voorlopers van de vorming van moleculaire wolken - de zogenaamde "moleculaire fabrieken" van complexere organische moleculen die de voorlopers van het leven zoals wij dat kennen kunnen bevatten - zou dit theorieën en nieuwe modellen kunnen openen over hoe koolstofhoudende materiaal in de diepe ruimte en in de rijke atmosferen van planeten en hun manen in ons zonnestelsel evolueren en ontstaan, " hij zei.

Alexander M. Mebel, een professor scheikunde aan de Florida International University en co-leider van de studie, berekeningen uitgevoerd die lieten zien hoe de reactanten op natuurlijke wijze kunnen samenkomen en nieuwe verbindingen kunnen vormen bij zeer lage temperaturen.

"Onze berekeningen onthulden het reactiemechanisme, Mebel zei. "We hebben laten zien dat je geen energie nodig hebt om de reactie van naftyl en vinylacetyleen aan te drijven, dus de reactie zou efficiënt moeten zijn, zelfs in de atmosferische omstandigheden bij lage temperatuur en lage druk op Titan."

Een sleutel tot het onderzoek was de gedetailleerde modellering van de reactorcel waar de gassen werden gemengd.

Mebel merkte op dat modellering van de energieën en simulaties van de dynamiek van de gasstroom in de reactor helpen om de voortgang van de reactie in de reactor te volgen, en stelden onderzoekers in staat theoretische resultaten nauw te verbinden met experimentele waarnemingen.

Het modellenwerk, die hielp om de chemicaliën te voorspellen die in de reacties werden geproduceerd op basis van de aanvankelijke gassen en de temperatuur en druk van de verwarmde kamer waar de gassen werden gemengd en geraakt met de vacuüm ultraviolette straal, werd geleid door het onderzoeksteam van Samara University.

"This verification of the model, by comparing it with experiments, can also be helpful in predicting how the reaction would proceed in different conditions—from Titan's atmosphere to combustion flames on Earth."

An aim of the continuing research, Kaiser said, is to unravel the details of how carbon-containing compounds with similar structures to DNA and RNA can develop even in extreme environments.