En kemiingenjör från Caltech som normalt utvecklar nya sätt att tillverka mikroprocessorer i datorer har kommit på hur man förklarar ett tjatande mysterium i rymden – varför kometer driver ut syrgas, samma gas som vi människor andas.

Upptäckten att kometer producerar syrgas – även kallad molekylärt syre eller O2 – tillkännagavs 2015 av forskare som studerade kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko med Europeiska rymdorganisationens rymdfarkost Rosetta. Uppdraget hittade oväntat rikliga nivåer av molekylärt syre i kometens atmosfär. Molekylärt syre i rymden är mycket instabilt, eftersom syre föredrar att para ihop med väte för att göra vatten, eller kol för att göra koldioxid. Verkligen, O2 har bara upptäckts två gånger tidigare i rymden i stjärnbildande nebulosor.

Forskare har föreslagit att det molekylära syret på kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko kan ha tinat från dess yta efter att ha frusit inuti kometen sedan solsystemets gryning för 4,6 miljarder år sedan. Men frågor kvarstår eftersom vissa forskare säger att syret borde ha reagerat med andra kemikalier under hela den tiden.

En professor i kemiteknik vid Caltech, Konstantinos P. Giapis, började titta på Rosetta-data eftersom de kemiska reaktionerna som inträffade på kometens yta liknade dem han har utfört i labbet under de senaste 20 åren. Giapis studerar kemiska reaktioner som involverar laddade höghastighetsatomer, eller joner, kolliderar med halvledarytor som ett sätt att skapa snabbare datorchips och större digitala minnen för datorer och telefoner.

"Jag började intressera mig för rymden och letade efter platser där joner skulle accelereras mot ytor, " säger Giapis. "Efter att ha tittat på mätningar gjorda på Rosettas komet, särskilt när det gäller energierna från vattenmolekylerna som träffar kometen, allt klickade. Det jag har studerat i flera år händer just här på den här kometen."

I en ny Naturkommunikation studie, Giapis och hans medförfattare, postdoktor Yunxi Yao, demonstrera i labbet hur kometen kunde producera syre. I grund och botten, vattenångmolekyler strömmar bort från kometen när den kosmiska kroppen värms upp av solen. Vattenmolekylerna joniseras, eller laddad, av ultraviolett ljus från solen, och sedan blåser solens vind de joniserade vattenmolekylerna tillbaka mot kometen. När vattenmolekylerna träffar kometens yta, som innehåller syre bundet i material som rost och sand, molekylerna plockar upp ytterligare en syreatom från dessa ytor och O2 bildas.

Med andra ord, den nya forskningen antyder att det molekylära syre som hittas av Rosetta trots allt inte behöver vara ursprungligt utan kan produceras i realtid på kometen.

"Vi har experimentellt visat att det är möjligt att bilda molekylärt syre dynamiskt på ytan av material som liknar de som finns på kometen, säger Yao.

"Vi hade ingen aning när vi byggde våra laboratorieinställningar att de skulle sluta tillämpas på kometernas astrofysik, " säger Giapis. "Denna ursprungliga kemimekanism är baserad på den sällan övervägda klassen av Eley-Rideal-reaktioner, som uppstår när molekyler som rör sig snabbt, vatten i detta fall, kolliderar med ytor och extraherar atomer som finns där, bildar nya molekyler. Alla nödvändiga förutsättningar för sådana reaktioner finns på kometen 67P."

Andra astrofysiska kroppar, såsom planeter bortom vårt solsystem, eller exoplaneter, kan också producera molekylärt syre med en liknande "abiotisk" mekanism - utan behov av liv. Detta kan påverka hur forskare söker efter tecken på liv på exoplaneter i framtiden.

"Syre är en viktig molekyl, som är mycket svårfångad i det interstellära rymden, " säger astronomen Paul Goldsmith från JPL, som hanteras av Caltech för NASA. Goldsmith är NASA-projektforskare för European Space Agencys Herschel-uppdrag, som gjorde den första bekräftade upptäckten av molekylärt syre i rymden 2011. "Denna produktionsmekanism som studerades i professor Giapis laboratorium kan fungera i en rad olika miljöer och visar det viktiga sambandet mellan laboratoriestudier och astrokemi."

De Naturkommunikation uppsatsen har titeln "Dynamisk molekylär syreproduktion i kometer."