Laboratoriumonderzoek heeft onthuld hoe koolstofatomen op het oppervlak van interstellaire ijskorrels diffunderen en complexe organische (op koolstof gebaseerde) verbindingen vormen die van cruciaal belang zijn voor het ontrafelen van de complexiteit van de kosmische chemie. De lijst met organische moleculen die in de ruimte worden gedetecteerd en het inzicht in hoe ze op elkaar inwerken, wordt gestaag groter dankzij voortdurende verbeteringen in directe observatietechnieken. Laboratoriumexperimenten die complexe processen aan het licht brengen, kunnen echter ook belangrijke aanwijzingen opleveren.
Artistieke weergave van de vorming van organische verbindingen op interstellair ijs. Bron: MasashiTsuge
Onderzoekers van de Universiteit van Hokkaido, die samenwerken met collega's van de Universiteit van Tokio in Japan, rapporteren in het tijdschrift Nature Astronomy nieuwe laboratoriumgebaseerde inzichten in de centrale rol van koolstofatomen op interstellaire ijskorrels.
Er wordt aangenomen dat enkele van de meest complexe organische moleculen in de ruimte bij extreem lage temperaturen op het oppervlak van interstellaire ijsdeeltjes ontstaan. Het is duidelijk dat ijsdeeltjes die geschikt zijn voor dit doel in overvloed aanwezig zijn in het universum.
Alle organische moleculen zijn gebaseerd op een skelet van gebonden koolstofatomen. De meeste koolstofatomen worden aanvankelijk gevormd door kernfusiereacties in sterren, en worden uiteindelijk verspreid in de interstellaire ruimte wanneer de ster sterft in een supernova-explosie. Maar om complexe organische moleculen te vormen, hebben koolstofatomen een mechanisme nodig om samen te klonteren op het oppervlak van ijsdeeltjes, partneratomen te ontmoeten en er chemische bindingen mee te vormen. Nieuw onderzoek suggereert een mogelijk mechanisme.
Boven 30 Kelvin (minus 243 graden Celsius / min 405,4 graden Fahrenheit) diffunderen koolstofatomen en combineren ze samen om het tweeatomige koolstof C2 te vormen. Bron: MasashiTsuge et al., Nature Astronomy. 14 september 2023
Masashi Tsuge, een scheikundige aan het Institute of Cryogenic Science van de Universiteit van Hokkaido, zei: "In onze studie reproduceerden we haalbare interstellaire omstandigheden in het laboratorium en konden we de diffusiereactie van zwak gebonden koolstofatomen op het oppervlak van ijsdeeltjes detecteren en C2-moleculen genereren. C2, ook bekend als diatomische koolstof, is een molecuul waarin twee koolstofatomen aan elkaar zijn gebonden; de vorming ervan is een concreet bewijs van de aanwezigheid van diffuse koolstofatomen op interstellaire ijsdeeltjes."
Uit de studie bleek dat deze diffusie kan optreden bij temperaturen boven 30 Kelvin (minus 243 graden Celsius / 405,4 graden boven nul Fahrenheit), en dat er in de ruimte slechts 22 Kelvin (minus 251 graden Celsius / 419,8 graden Fahrenheit boven nul) nodig is om de diffusie van koolstofatomen te activeren.
Masashi Tsuzuki (links), de eerste auteur en corresponderende auteur van het artikel, en Naoki Watanabe (rechts), de co-auteur. Bron: MasashiTsuge
Zhezhi zei dat de bevindingen een eerder over het hoofd gezien chemisch proces in het verklarende raamwerk plaatsen van hoe complexere organische moleculen worden gebouwd door voortdurend koolstofatomen toe te voegen. Hij gelooft dat deze processen kunnen plaatsvinden in protoplanetaire schijven rond sterren, waaruit planeten ontstaan. De vereiste omstandigheden kunnen zich ook ontwikkelen in zogenaamde doorschijnende wolken, die uiteindelijk uitgroeien tot stervormingsgebieden. Dit zou ook de oorsprong kunnen verklaren van chemicaliën op aarde die mogelijk tot leven hebben geleid.
Naast vragen over de oorsprong van het leven voegt dit onderzoek een fundamenteel nieuw proces toe aan de verscheidenheid aan chemische reacties die de op koolstof gebaseerde chemie in het hele universum kunnen structureren en nog steeds kunnen structureren.
De auteurs vatten ook het huidige inzicht in de vorming van complexe organische chemicaliën in de ruimte in het algemeen samen, en overwegen hoe reacties die worden aangestuurd door diffunderende koolstofatomen de huidige situatie kunnen veranderen.