Bild https://www.colorado.edu/ tagen med James
Webb-rymdteleskopet av de så kallade "Skapelsens pelare", en region i
Örnnebulosan där moln av gas och stoft kollapsar och bildar nya stjärnor.
Bildkälla: NASA, ESA, CSA, STScI; Bildbehandling: Joseph DePasquale (STScI),
Anton Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI)
I en ny studie har ett internationellt forskarlag under
ledning av forskare vid University of Colorado Boulder gjort experiment på
jorden för att återskapa kemin djupt ute i rymden. Gruppens resultat kan ha
avslöjat viktiga steg i de processer som formar dessa organiska molekyler över
tid. "Vi är alla gjorda av kol, så
det är verkligen viktigt att veta hur kol i universum omvandlas på sin väg till
att införlivas i ett planetsystem som vårt eget solsystem", beskriver
Bouwman, biträdande professor vid institutionen för kemi och forskare vid
laboratoriet för atmosfärs- och rymdfysik (LASP) vid CU Boulder.
Fulleren är en av de fem kristallina allotroperna av kol (de naturliga är diamant, grafen, nanorör och grafit) och består av kolatomer organiserade i form av en sluten bur. Det mest kända exemplet är buckminsterfulleren (C69) som fått sitt namn från den berömda futuristen Richard Buckminster Fuller. Dessa molekyler innehåller 60 atomer i form av en sfär och har en slående likhet med en fotboll.
Fullerener, inklusive buckminsterfulleren svävar
fritt i det interstellära mediet (i gas,
stoft, plasma, magnetfält och kosmisk strålning som finns i rymden mellan
stjärnorna i en galax). Men forskare har länge kämpat med att förklara var
de kom ifrån och hur de bildats.
Den nya studiens resultat tyder på att strålning i
rymden kan bidra till att omvandla PAH:er (polycykliska
aromatiska kolväten) till fullerener.
"Det ger oss en ledtråd om att de buckminsterfuller som vi hittar i rymden kan vara kopplad till dessa stora aromatiska molekyler som också de finns i överflöd", beskriver Bouwman. Forskargruppen simulerade kemin i rymden genom att studera två små PAH-molekyler som kallas antracen och fenantren.
PAH:er består av kolatomer arrangerade i en serie hexagoner, inte olikt en bikaka. PAH:er är rikligt förekommande på jorden där man kan hitta dem i rök, sot och andra förkolnade material.
Först bombarderade forskarna de två PAH:erna med en
elektronstråle. Det liknar vad som händer när strålning i rymden interagerar
med molekyler i det interstellära mediet.
Detta bombardemang omvandlade PAH:erna till nya laddade organiska molekyler. Forskarna matade sedan in produkterna i en
jonfällningsapparat vid en vetenskaplig anläggning som kallas Free Electron
Lasers for Infrared eXperiments vid HFML-FELIX (Forskningsinstitut i Nijmegen, Nederländerna). Denna unika nationella inkluderar flera
lasrar som sprider sig över ett stort källarrum. Med hjälp av dessa lasrar
kunde forskarna exakt undersöka strukturen hos de nya molekylerna. Bouwman
beskriver att när teamet träffade antracen och fenantren med elektroner, förlorade
molekylerna en eller två av sina väteatomer.
I processen förändrade de också radikalt sina
strukturer och bygga en ny struktur. Istället
för att bara inkludera hexagoner, innehöll de resulterande produkterna nu
kolatomer arrangerade i form av både hexagoner och pentagoner.
Den radikala reaktionen hade aldrig setts tidigare, beskrev
Bouwman. Huruvida den här typen av pentagonbärande molekyler också är vanliga i
rymden är inte klarlagt.
"Det var ett mycket överraskande resultat att
bara genom att frigöra en eller två väteatomer, omorganiserades hela molekylen", beskriver Sandra Brünken, medförfattare till studien och docent vid
Radboud universitet i Nederländerna och gruppledare vid FELIX.
Resultaten var ögonöppnande, delvis eftersom den
typen av molekyler också är väldigt enkla att vika ihop. (Tänk dig bara en
fotboll, som är uppbyggd av en blandning av både hexagoner och pentagoner).
Med andra ord kan dessa pentagonbärande molekyler
vara den saknade länken för att omvandla vanliga PAH:er till buckyballs och
andra fullerener.
Bouwman och Brünken hoppas att astrofysiker kommer
att lägga märke till deras resultat. Forskare skulle kunna använda teamets resultat för
att undersöka om liknande pentagonbärande molekyler existerar djupt ute i rymden med
hjälp av verktyg som James Webb-rymdteleskopet vilket är det kraftfullaste
teleskopet som någonsin uppskjutits.
"Man kan ta våra resultat från laboratoriet och
sedan använda dem som ett fingeravtryck för att leta efter samma signaturer i
rymden", beskriver Brünken.
Forskningsresultatet har nyligen publicerades i Journal ofthe American Chemical Society.
