Två astronomer från Max Planck Institute for Astronomy och från University of Jena har hittat en elegant ny metod för att mäta energin i enkla kemiska reaktioner, under liknande förhållanden som de som atomer och molekyler möter i det tidiga solsystemet. Deras metod lovar exakta mätningar av reaktionsenergier som kan användas för att förstå kemiska reaktioner under rymdförhållanden – inklusive de reaktioner som var ansvariga för att skapa organiska kemikalier som råvara för livets utveckling.

För att livet ska bildas, naturen behövde massor av råvaror i form av komplexa organiska molekyler. Vissa av dessa molekyler har troligen bildats långt tidigare, i rymden, under solsystemets födelse. Systematiska studier av nödvändiga kemiska reaktioner, som äger rum på dammkornens knasiga och slingrande ytor, var och hämmas av brist på data. Vilka elementära reaktioner, vilka enskilda reaktanter är möjliga? Vilken temperatur krävs för att en reaktion ska ske? Vilka molekyler produceras i dessa reaktioner? Nu, Thomas Henning, direktör vid Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), och Sergiy Krasnokutskiy från MPIA:s Laboratory Astrophysics Group vid University of Jena har utvecklat en elegant metod för att studera sådana elementära ytreaktioner – med hjälp av små flytande heliumdroppar.

I det tidiga solsystemet, långt innan jorden bildades, komplicerad kemisk reaktion ägde rum, skapa betydande mängder organiska molekyler. Det kosmiska laboratoriet för dessa verk av kemisk syntes tillhandahölls av dammkorn – kluster av mestadels silikater och kol, täckt med en mantel av is, med komplicerade och känsliga rankor och förgreningar, och på denna grund med en avgörande egenskap:En förhållandevis stor yta på vilken kemiska reaktioner skulle kunna ske. Under de miljontals år som följer, många av dessa dammkorn skulle samlas för att bilda allt större strukturer, tills slutligen, fasta planeter uppstod, kretsar kring den unga solen.

Skapar råvarorna för livet

Medan alla organiska föreningar som syntetiseras på kornytorna skulle förstöras av den oundvikliga värmen under planetbildningen, några av molekylerna väntade, inkapslad i, eller klamrar sig fast vid ytan av, små korn eller klumpar av sten, såväl som i kometernas iskalla kroppar. Av en redogörelse för livets historia, när jordens yta hade svalnat tillräckligt för att flytande vatten skulle bildas, det var dessa korn och stenar, träffar jordens yta i form av meteoriter, några av dem landar i varma, små, dammar, som gav den kemiska grunden för liv att bildas på vår hemplanet.

För att förstå de tidiga naturliga kemiska experimenten i vårt universum, vi behöver känna till egenskaperna hos de olika reaktionerna. Till exempel, behöver vissa reaktioner en specifik aktiveringsenergi för att inträffa? Vad är den slutliga produkten av en given reaktion? Dessa parametrar avgör vilka reaktioner som kan ske under vilka förhållanden i det tidiga solsystemet, och de är nyckeln till all realistisk rekonstruktion av tidig solsystemkemi.

Knappa data om ytreaktioner vid låg temperatur

Ändå är exakta uppgifter om dessa reaktioner förvånansvärt knappa. Istället, en betydande del av den kemiska forskningen ägnas åt studier av sådana reaktioner i gasfasen, med atomerna och molekylerna flytande fritt, kolliderar, och bilda föreningar. Men de avgörande kemiska reaktionerna i rymden som behövs för att bygga upp större organiska molekyler sker under markant olika förhållanden – på dammkornens ytor. Detta förändrar till och med den grundläggande fysiken i situationen:När en ny molekyl bildas, energin från den kemiska bindningsbildningen lagras i den nyskapade molekylen. Om denna energi inte överförs till miljön, den nya molekylen kommer snabbt att förstöras. Detta förhindrar bildandet av många arter i gasfasen. På en yta, eller i ett medium, där energi lätt kan absorberas av tillkommande material, förutsättningarna för vissa typer av reaktioner som bygger komplexa molekyler, steg för steg, är mycket gynnsammare.

Henning och Krasnokutskiy utvecklade en elegant metod för att mäta energin i sådana reaktioner. Deras modeller av kosmiska laboratorier är heliumdroppar i miniatyr, några nanometer i storlek, driver i ett högt vakuum. Reaktanterna – dvs. de atomer eller molekyler som är avsedda att delta i reaktionen – förs in i vakuumkammaren som gaser, men i så små mängder att heliumdroppar är överväldigande sannolikt att plocka upp antingen en enda molekyl av varje erforderlig art eller ingen, men inte mer. Heliumdropparna fungerar som ett medium som, liknar ytan på ett dammkorn, kan absorbera reaktionsenergi, låter reaktioner ske under liknande förhållanden som i det tidiga solsystemet. Detta återger en nyckelfunktion i den relevanta ytkemin (även om andra egenskaper, såsom katalytiska egenskaper hos en specifik dammyta, är inte modellerade).

Nanodroppar som mätinstrument

Vidare, de två astronomerna använde heliumnanodroppar som energimätare (kalorimetrar). När reaktionsenergin frigörs i droppen, några av heliumatomerna kommer att avdunsta på ett förutsägbart sätt. Det återstående fallet är nu mindre än tidigare – en skillnad i storlek som kan mätas med två alternativa metoder:en elektronstråle (ett större fall är lättare att träffa än ett mindre!) eller en exakt mätning av trycket i vakuumkammaren skapad av heliumdroppar som träffar väggen, där större droppar ger större tryck. Genom att kalibrera sin metod med hjälp av reaktioner som hade studerats i detalj i förväg, och vars egenskaper är välkända, de två astronomerna kunde öka metodens noggrannhet avsevärt. Allt som allt, den nya metoden ger ett elegant nytt sätt att undersöka bildningsvägen för komplexa organiska molekyler i rymden. Detta borde göra det möjligt för forskare att vara mer specifika om de råvaror som naturen var tvungen att arbeta med inför uppkomsten av liv på jorden. Men det finns mer:

De första mätningarna med den nya tekniken bekräftar en trend som redan varit synlig i andra nya experiment:På ytor, vid låga temperaturer, kolatomer är överraskande reaktiva. Forskarna fann ett förvånansvärt högt antal – nästan ett dussin – reaktioner som involverade kolatomer som är barriärfria, det är, som inte kräver extra energi för att fortsätta, och kan därför förekomma vid mycket låga temperaturer. Tydligen, kondensation av atomgas vid låga temperaturer leder till bildningen av en mängd olika organiska molekyler. Men den stora möjliga variationen gör också att molekyler av varje specifik art kommer att vara mycket sällsynta.

Detta, i tur och ordning, antyder att astronomer drastiskt underskattar mängden organiska molekyler i yttre rymden. När det gäller att uppskatta överflöd, astronomiska observationer undersöker spårsignaturerna (spektrala linjer) för varje molekylart separat. Om det finns många olika arter av organiska molekyler där ute, varje enskild art kan "flyga under radarn". Dess molekyler kanske bara är närvarande i mängder som är för små för att astronomer ska kunna upptäcka, och dessutom, till och med molekylernas tydliga signaturer (mer allmänt de för specifika funktionella grupper som är gemensamma för olika typer av molekyler) kan ändras något, gör att molekylen undviker upptäckt. Men sammanlagt, det är möjligt att alla dessa separata arter av molekyler tillsammans kan utgöra en betydande mängd materia i yttre rymden – en dold värld av organisk kemi i yttre rymden.