Saturnus största måne, Titan, är unik bland alla månar i vårt solsystem för sin täta och kväverika atmosfär som även innehåller kolväten och andra föreningar, och historien bakom bildandet av denna rika kemiska blandning har varit källan till en del vetenskaplig debatt.

Nu, ett forskningssamarbete som involverar forskare från avdelningen för kemiska vetenskaper vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nollställt en kemisk mekanism vid låg temperatur som kan ha drivit fram bildandet av molekyler med flera ringar – föregångarna till mer komplexa kemi som nu finns i månens brunorange dislager.

Studien, leds av Ralf Kaiser vid University of Hawaii i Manoa och publicerades i 8 oktober-upplagan av tidskriften Natur astronomi , strider mot teorier om att reaktionsmekanismer med hög temperatur krävs för att producera den kemiska sammansättning som satellituppdrag har observerat i Titans atmosfär.

Teamet inkluderade också andra forskare vid Berkeley Lab, University of Hawaii i Manoa, Samara University i Ryssland, och Florida International University. Teamet använde vakuumexperiment med ultraviolett ljus vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS), tillsammans med datorsimuleringar och modelleringsarbete för att demonstrera de kemiska reaktioner som bidrar till Titans moderna atmosfäriska kemi.

"Vi ger bevis här för en reaktionsväg vid låg temperatur som folk inte har tänkt på, sa Musahid Ahmed, en vetenskapsman vid Berkeley Labs avdelning för kemiska vetenskaper och medledare för studien vid ALS. "Detta ger upphov till en felande länk i Titans kemi."

Titan kan ge ledtrådar till utvecklingen av komplex kemi på andra månar och planeter, inklusive jorden, han förklarade. "Människor använder Titan för att tänka på en "förbiotisk" jord - när kväve var vanligare i den tidiga jordens atmosfär."

Bensen, ett enkelt kolväte med en molekylstruktur med en enkelring av sex kol, har upptäckts på Titan och tros vara en byggsten för större kolvätemolekyler med två- och treringstrukturer som, i tur och ordning, bildade andra kolväten och aerosolpartiklar som nu utgör Titans atmosfär. Dessa flerringiga kolvätemolekyler är kända som polycykliska aromatiska kolväten (PAH).

I den senaste studien, forskare blandade två gaser - en kortlivad tvåring PAH känd som en naftylradikal (C10H7) och ett kolväte som heter vinylacetylen (C4H4) - vid ALS, och producerade treringar PAH i processen. Båda kemikalierna som används för att driva reaktionen antas existera på Titan baserat på vad som är känt om den kemiska sammansättningen av dess atmosfär.

ALS-experimenten sprutade bort slutprodukterna av reaktionerna från en liten reaktionskammare. Forskare använde en detektor känd som en reflektron-tid-flight-masspektrometer för att mäta massan av molekylära fragment som produceras i reaktionen mellan de två gaserna. Dessa mätningar gav detaljer om kemin hos de treringade PAH:erna (fenantren och antracen).

Medan ALS-experimenten använde en kemisk reaktor för att simulera den kemiska reaktionen och en stråle av vakuum ultraviolett ljus för att detektera reaktionsprodukterna, stödjande beräkningar och simuleringar visade hur kemikalierna som bildades i ALS-experimenten inte kräver höga temperaturer.

PAH som kemikalierna som studeras vid ALS har egenskaper som gör dem särskilt svåra att identifiera i rymden, sa Kaiser. "Faktiskt, inte en enda, individuell PAH har detekterats i gasfasen i det interstellära mediet, " vilket är materialet som fyller utrymmet mellan stjärnor.

Han lade till, "Vår studie visar att PAH är mer spridda än väntat, eftersom de inte kräver de höga temperaturer som finns runt kolstjärnor. Denna mekanism vi utforskade förutspås vara mångsidig och förväntas leda till bildandet av ännu mer komplexa PAH."

Och eftersom PAH betraktas som föregångare till att bilda molekylära moln – de så kallade "molekylära fabrikerna" av mer komplexa organiska molekyler som kan inkludera prekursorerna till livet som vi känner det – kan detta öppna upp teorier och nya modeller för hur kolinnehåller material i rymden och i de rika atmosfärerna hos planeter och deras månar i vårt solsystem utvecklas och uppstår, " han sa.

Alexander M. Mebel, en kemiprofessor vid Florida International University och medledare för studien, genomfört beräkningar som visade hur reaktanterna naturligt kan gå samman och bilda nya föreningar vid mycket låga temperaturer.

"Våra beräkningar avslöjade reaktionsmekanismen, " Sa Mebel. "Vi visade att du inte behöver någon energi för att driva reaktionen av naftyl och vinylacetylen, så reaktionen bör vara effektiv även under lågtemperatur- och lågtrycksatmosfärsförhållanden på Titan."

En nyckel till studien låg i den detaljerade modelleringen av reaktorcellen där gaserna blandades.

Mebel noterade att modellering av energierna och simuleringarna av gasflödesdynamiken i reaktorn hjälper till att övervaka reaktionens framsteg inuti reaktorn, och tillät forskare att knyta teoretiska resultat nära med experimentella observationer.

Modelleringsarbetet, som hjälpte till att förutsäga kemikalierna som producerades i reaktionerna baserat på de initiala gaserna och temperaturen och trycket i den uppvärmda kammaren där gaserna blandades och träffades med den ultravioletta vakuumstrålen, was led by the research team at Samara University.

"This verification of the model, by comparing it with experiments, can also be helpful in predicting how the reaction would proceed in different conditions—from Titan's atmosphere to combustion flames on Earth."

An aim of the continuing research, Kaiser said, is to unravel the details of how carbon-containing compounds with similar structures to DNA and RNA can develop even in extreme environments.