Astronomen van het Max Planck Instituut voor Astronomie en de Universiteit van Jena hebben een duidelijker beeld gekregen van de minuscule deep-space laboratoria van de natuur:minuscule stofkorrels bedekt met ijs. In plaats van regelmatige vormen dik bedekt met ijs, zulke korrels lijken pluizige netwerken van stof, met dunne ijslagen. Vooral, dat betekent dat de stofkorrels aanzienlijk grotere oppervlakken hebben, waar de meeste chemische reacties plaatsvinden. Vandaar, de nieuwe structuur heeft fundamentele gevolgen voor de kijk van astronomen op de organische chemie in de ruimte - en dus voor het ontstaan ​​van prebiotische moleculen die een belangrijke rol hadden kunnen spelen bij het ontstaan ​​van leven op aarde.

Het maken van complexe moleculen in de verre ruimte is allesbehalve eenvoudig. Voor zover bekend, de natuurlijke laboratoria waarin de nodige reacties plaatsvinden zijn interstellaire stofkorrels met ijzige oppervlakken. Nutsvoorzieningen, nieuwe experimentele resultaten door Alexey Potapov van de MPIA-laboratoriumastrofysica-groep aan de Jena University en zijn collega's tonen aan dat, onder realistische omstandigheden, de ijslagen kunnen zo dun zijn dat de oppervlaktestructuur van de stofkorrels zelf een belangrijke rol speelt.

Dit opent een nieuw onderzoeksgebied:degenen die geïnteresseerd zijn in de kosmische oorsprong van de organische voorlopermoleculen van het leven, zullen de verschillende eigenschappen van de oppervlakken van kosmische stofkorrels nader moeten bekijken, hun interacties met kleine hoeveelheden ijs, en over de rol die de resulterende complexe omgevingen spelen bij het helpen synthetiseren van complexe organische moleculen.

Als we nadenken over hoe het leven, en hoe wij zelf, in dit universum zijn gekomen, er zijn verschillende belangrijke stappen, inclusief natuurkunde, scheikunde, en biologie. Zo ver we weten, de vroegste biologie van ons eigen oorsprongsverhaal vond hier op aarde plaats, maar hetzelfde geldt niet voor natuurkunde of scheikunde:de meeste chemische elementen, inclusief koolstof en stikstof, zijn gecreëerd door kernfusie in sterren ("We are star stuff, " zoals Carl Sagan beroemd zei).

Moleculen, inclusief de organische moleculen die nodig zijn om aminozuren te vormen, of ons eigen DNA, kunnen vormen in het interstellaire medium. De weinige keren dat sondes kosmisch stof rechtstreeks konden analyseren, namelijk de Stardust- en Rosetta-missies, de analyse vond complexe moleculen, zoals het eenvoudige aminozuur glycine. In de loop van de evolutie van een planetair systeem, organische moleculen kunnen door meteorieten en vroege kometen naar planetaire oppervlakken worden getransporteerd.

Hoe die moleculen zich in de eerste plaats kunnen vormen, in de bijna lege vlakten tussen de sterren, is helemaal geen simpele vraag. In de ruimte, de meeste atomen en moleculen maken deel uit van een ultradun gas, met nauwelijks interactie, laat staan ​​de interacties die nodig zijn om complexere organische moleculen op te bouwen.

In de jaren 1960, astronomen die geïnteresseerd waren in interstellaire chemie begonnen het idee te ontwikkelen dat interstellaire stofkorrels zouden kunnen dienen als "interstellaire laboratoria, " wat complexere chemische reacties zou vergemakkelijken. Dergelijke granen, op basis van koolstof of silicaat, ontstaan ​​meestal in de buitenste lagen van koele sterren of in de nasleep van supernova-explosies. In een wolk van gas en stof, verschillende soorten moleculen zouden aan de (koude) korrel blijven plakken, moleculen zouden zich ophopen, en eventueel, interessante chemische reacties zouden plaatsvinden. specifiek, het zou de orde van 100 aannemen, 000 jaar voordat een stofkorrel een ijsmantel ophoopt (meestal waterijs, maar ook enkele andere moleculen zoals koolmonoxide). Deze ijzige laag zou dan dienen als een klein kosmisch scheikundig laboratorium.

Astronomen die in dit onderwerp geïnteresseerd waren, realiseerden zich al snel dat ze experimenten nodig hadden om hun waarnemingen van interstellaire gaswolken te interpreteren. Ze zouden met ijs bedekte stofkorrels en hun interactie met moleculen in laboratoria hier op aarde moeten bestuderen. Hiertoe, ze zouden vacuümkamers gebruiken, het simuleren van de leegte van de ruimte, evenals de juiste temperaturen. Aangezien de veronderstelling destijds was dat chemie op het ijzige oppervlak telde, werd het gebruikelijk om ijslagen te gebruiken voor dergelijke experimenten, aangebracht op een gewoon oppervlak zoals een kaliumbromide (KBr) kristalplaat of een metalen oppervlak. Maar dat, de nieuwe resultaten laten zien, kan slechts een deel van de foto zijn, op zijn best.

planeet vorming, evenals de zoektocht naar de oorsprong van het leven, zijn belangrijke onderzoeksdoelen voor het Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), en ijzige stofkorrels spelen voor beide een belangrijke rol. Dat is waarom, sinds 2003, MPIA heeft een Laboratory Astrophysics and Cluster Physics Group onderhouden aan het Institute of Solid State Physics van de Friedrich Schiller University, Jena.

Een deel van de apparatuur van de groep zijn lasers die kunnen worden gebruikt om kunstmatige kosmische stofkorrels te creëren. Hiertoe, een laser wordt op een grafietmonster gericht, het eroderen (ablationeren) van minuscule deeltjes van het oppervlak, slechts nanometers breed (waarbij één nanometer een miljardste van een meter is). Toen Alexey Potapov van de Jena Laboratory Astrophysics-groep, de hoofdauteur van het nieuwe artikel, en zijn collega's bestudeerden dergelijke kunstmatige stofkorrels, het induceren van verschillende soorten ijs op hun oppervlak, ze begonnen te twijfelen aan het standaardbeeld van chemie op dikke ijzige oppervlakken.

In plaats van korrels volledig bedekt met meerdere lagen vast ijs (waterijs, of koolmonoxide-ijs) zoals een ui, de stofkorrels die ze in het laboratorium produceerden, zo dicht mogelijk bij realistische deep-space-omstandigheden blijven, werden verlengd, veelgeboorde vormen - pluizige netwerken van stof en ijs.

Met deze vorm, hun totale oppervlakte is veel groter (een factor van een paar honderd) dan voor eenvoudigere vormen, en dit is een game-changer voor berekeningen van hoe de gedetecteerde hoeveelheid water in moleculaire wolken sommige korrels zou bedekken:van korrels met een klein oppervlak, dus volledig bedekt door het beschikbare water, we komen in plaats daarvan op een meer uitgestrekt oppervlak dat op sommige plaatsen dikkere lagen zal hebben, terwijl er op andere plaatsen niet meer dan een enkele laag ijskristallen is - simpelweg omdat er niet genoeg water is om het enorm uitgestrekte oppervlak met meerdere lagen ijs te bedekken.

Deze structuur heeft ingrijpende gevolgen voor de rol van ijzige stofkorrels als kleine kosmische laboratoria. Chemische reacties zijn afhankelijk van moleculen die aan het oppervlak zijn blijven plakken, en hoe die moleculen kunnen bewegen (verdwijnen), andere moleculen ontmoeten, Reageer, vast komen te zitten, of weer losmaken. Die omgevingsomstandigheden zijn in de nieuwe, pluizig, stoffige versie van de kosmische laboratoria.

Potapov zegt, "Nu we weten dat stofkorrels ertoe doen, een nieuwe speler heeft het astrochemische spel betreden. Weten dat de nieuwe speler er is, geeft ons een betere kans om de fundamentele chemische reacties te begrijpen die, in een later stadium, zou kunnen hebben geleid tot het ontstaan ​​van leven in het universum."

Ook, als de korrels niet verborgen zijn onder dikke ijslagen, maar kan interageren met de moleculen die aan het oppervlak hechten, ze kunnen fungeren als katalysatoren, het veranderen van de snelheid van chemische reacties door hun loutere aanwezigheid. Plotseling, bepaalde reacties voor de vorming van organische moleculen zoals formaldehyde, of bepaalde ammoniakverbindingen, zou veel gebruikelijker moeten worden. Beide zijn belangrijke voorlopers van prebiotische moleculen - dus deze verandering in focus zou een direct effect hebben op onze verklaringen voor de chemische prehistorie van het leven op aarde.

Co-auteur en MPIA-directeur Thomas Henning zegt:"Dit zijn opwindende nieuwe richtingen in de zoektocht naar de vorming van complexe moleculen in de ruimte. Om op te volgen, MPIA heeft zojuist haar nieuwe laboratorium "Origins of Life" geopend, die is afgestemd op dit nieuwe type onderzoek."

Algemener, de nieuwe resultaten, samen met een aantal vergelijkbare resultaten verkregen in eerdere experimenten, een wake-up call vormen voor de astrochemiegemeenschap:als je astrochemie in het interstellaire medium wilt begrijpen, en de gevolgen ervan voor het ontstaan ​​van het leven, ga weg van ijzige uien. Omarm de rol van stofoppervlakken. Omarm de mogelijke luchtigheid van de kleine kosmische laboratoria van de natuur.