Międzynarodowy zespół naukowców odkrył coś, co może być krytycznym krokiem w chemicznej ewolucji cząsteczek w kosmicznych „gwiezdnych żłobkach”. W tych ogromnych chmurach zimnego gazu i pyłu w kosmosie biliony cząsteczek wirują razem przez miliony lat. Zapadanie się tych międzygwiazdowych obłoków ostatecznie prowadzi do powstania młodych gwiazd i planet.
Podobnie jak ludzkie ciała, gwiezdne żłobki zawierają wiele cząsteczek organicznych, które składają się głównie z atomów węgla i wodoru. Wyniki grupy, opublikowane 6 lutego w czasopiśmie Nature Astronomy, ujawniają, w jaki sposób pewne duże cząsteczki organiczne mogą tworzyć się wewnątrz tych chmur. To jeden mały krok w trwającej eony chemicznej podróży, jaką przechodzą atomy węgla – formując się w sercach umierających gwiazd, a następnie stając się częścią planet, żywych organizmów na Ziemi i być może poza nią.
„W tych zimnych obłokach molekularnych tworzysz pierwsze elementy budulcowe, które ostatecznie utworzą gwiazdy i planety” – powiedział Jordy Bouwman, pracownik naukowy w Laboratorium Fizyki Atmosfery i Przestrzeni Kosmicznej (LASP) oraz adiunkt w Wydział Chemii na University of Colorado Boulder.
W ramach nowego badania Bouwman i jego współpracownicy głęboko zanurkowali w szczególności do jednego gwiezdnego żłobka: Obłoku Molekularnego Byka (TMC-1). Region ten znajduje się w gwiazdozbiorze Byka i znajduje się około 440 lat świetlnych (ponad 2 biliardy mil) od Ziemi. To chemicznie złożone środowisko jest przykładem tego, co astronomowie nazywają „akrecyjnym bezgwiezdnym jądrem”. Jego chmura zaczęła się zapadać, ale naukowcy nie wykryli jeszcze pojawiających się w niej embrionalnych gwiazd.
Odkrycia zespołu opierają się na zwodniczo prostej cząsteczce zwanej orto-benzynem. Opierając się na eksperymentach na Ziemi i symulacjach komputerowych, naukowcy wykazali, że ta cząsteczka może łatwo łączyć się z innymi w kosmosie, tworząc szeroką gamę większych cząsteczek organicznych.
Innymi słowy, małe elementy konstrukcyjne stają się dużymi elementami konstrukcyjnymi.
I, jak powiedział Bouwman, te reakcje mogą być oznaką, że gwiezdne żłobki są o wiele bardziej interesujące, niż uważają je naukowcy.
“Jesteśmy dopiero na początku prawdziwego zrozumienia, w jaki sposób przechodzimy od tych małych cegiełek do większych cząsteczek” – powiedział. „Myślę, że odkryjemy, że ta chemia jest o wiele bardziej złożona niż myśleliśmy, nawet na najwcześniejszych etapach formowania się gwiazd”.
Fatalna obserwacja
Bouwman jest kosmochemikiem, badającym dziedzinę, która łączy chemię i astronomię, aby zrozumieć gwałtowne reakcje chemiczne zachodzące głęboko w kosmosie.
Powiedział, że na powierzchni zimne chmury molekularne mogą nie wydawać się siedliskiem aktywności chemicznej. Jak sugeruje ich nazwa, te galaktyczne pierwotne zupy są zwykle zimne, często oscylujące wokół -263 stopni Celsjusza (około -440 stopni Fahrenheita), zaledwie 10 stopni powyżej zera absolutnego. Większość reakcji wymaga przynajmniej odrobiny ciepła, aby rozpocząć.
Ale zimno czy nie, złożona chemia wydaje się zachodzić w gwiezdnych żłobkach. W szczególności TMC-1 zawiera zaskakujące stężenia stosunkowo dużych cząsteczek organicznych o nazwach takich jak fulwenallen oraz 1- i 2-etynylocyklopentadien. Chemicy nazywają je „związkami pięcioczłonowych pierścieni”, ponieważ każdy z nich zawiera pierścień atomów węgla w kształcie pięciokąta.
„Naukowcy wciąż wykrywali te cząsteczki w TMC-1, ale ich pochodzenie było niejasne” – powiedział Bouwman.
Teraz on i jego koledzy myślą, że mają odpowiedź.
W 2021 roku naukowcy korzystający z 40-metrowego radioteleskopu Yebes w Hiszpanii odkryli nieoczekiwaną cząsteczkę ukrywającą się w obłokach gazu TMC-1: orto-benzynę. Bouwman wyjaśnił, że ta mała cząsteczka, złożona z pierścienia sześciu atomów węgla z czterema atomami wodoru, jest jednym z ekstrawertyków świata chemii. Łatwo wchodzi w interakcje z wieloma innymi cząsteczkami i nie wymaga do tego dużo ciepła.
„Nie ma bariery dla reakcji” – powiedział Bouwman. „Oznacza to, że ma potencjał napędzania złożonej chemii w zimnych środowiskach”.
Identyfikacja sprawcy
Aby dowiedzieć się, jaki rodzaj złożonej chemii zachodzi w TMC-1, Bouwman i jego współpracownicy – pochodzący ze Stanów Zjednoczonych, Niemiec, Holandii i Szwajcarii – zwrócili się ku technice zwanej „spektroskopią koincydencji fotoelektronów”. Zespół wykorzystał światło generowane przez gigantyczny obiekt zwany synchrotronowym źródłem światła do identyfikacji produktów reakcji chemicznych. Zauważyli, że rodniki orto-benzynowe i metylowe, kolejny powszechny składnik obłoków molekularnych, łatwo łączą się, tworząc większe i bardziej złożone związki organiczne.
„Wiedzieliśmy, że jesteśmy na dobrej drodze” – powiedział Bouwman.
Następnie zespół wykorzystał modele komputerowe, aby zbadać rolę orto-benzynu w gwiezdnym żłobku rozłożonym na kilka lat świetlnych w przestrzeni kosmicznej. Wyniki były obiecujące: modele wygenerowały obłoki gazu zawierające mniej więcej taką samą mieszankę cząsteczek organicznych, jaką astronomowie zaobserwowali w TMC-1 za pomocą teleskopów.
Innymi słowy, orto-benzyn wydaje się być głównym kandydatem do kierowania chemią organiczną w fazie gazowej, która zachodzi w tych gwiezdnych żłobkach, powiedział Bouwman.
Dodał, że przed naukowcami jeszcze dużo pracy, aby w pełni zrozumieć wszystkie reakcje zachodzące w TMC-1. Chce na przykład zbadać, w jaki sposób cząsteczki organiczne w kosmosie pobierają również atomy azotu – kluczowe składniki DNA i aminokwasy żywych organizmów na Ziemi.
„Nasze odkrycia mogą po prostu zmienić pogląd na to, jakie składniki mamy przede wszystkim do tworzenia nowych gwiazd i nowych planet” – powiedział Bouwman.
Współautorami nowego artykułu są naukowcy z Leiden University w Holandii, Benedictine College w USA, Uniwersytetu w Würzburgu w Niemczech i Paul Scherrer Institute w Szwajcarii.