Astronomer från Max Planck Institute for Astronomy och University of Jena har fått en klarare bild av naturens små djupa rymdlaboratorier:små dammkorn täckta med is. Istället för vanliga former täckta med is, sådana korn verkar vara fluffiga nätverk av damm, med tunna islager. Särskilt, det betyder att dammkornen har betydligt större ytor, det är där de flesta kemiska reaktionerna äger rum. Därav, den nya strukturen har grundläggande konsekvenser för astronomers syn på organisk kemi i rymden – och därmed för uppkomsten av prebiotiska molekyler som kunde ha spelat en viktig roll för livets uppkomst på jorden.

Att skapa komplexa molekyler i rymden är allt annat än enkelt. Så vitt vi vet, de naturliga laboratorierna där de nödvändiga reaktionerna äger rum är interstellära dammkorn med isiga ytor. Nu, nya experimentella resultat av Alexey Potapov från MPIA laboratoriets astrofysikgrupp vid Jena University och hans kollegor visar att, under realistiska förhållanden, islagren kan mycket väl vara så tunna att själva dammkornens ytstruktur spelar en viktig roll.

Detta öppnar för ett nytt studieområde:De som är intresserade av det kosmiska ursprunget till livets organiska prekursormolekyler kommer att behöva titta närmare på de olika egenskaperna hos ytorna på kosmiska stoftkorn, deras interaktion med små mängder is, och på den roll de resulterande komplexa miljöerna spelar för att hjälpa till att syntetisera komplexa organiska molekyler.

När vi tänker på hur livet, och hur vi själva, har kommit att vara i detta universum, det finns flera viktiga steg, som omfattar fysik, kemi, och biologi. Så vitt vi vet, den tidigaste biologin om vårt eget ursprung ägde rum här på jorden, men detsamma gäller varken fysik eller kemi:De flesta kemiska grundämnen, inklusive kol och kväve, har skapats av kärnfusion inuti stjärnor ("Vi är stjärnsaker, " som Carl Sagan sa berömt).

Molekyler, inklusive de organiska molekyler som behövs för att bilda aminosyror, eller vårt eget DNA, kan bildas i det interstellära mediet. Vid de få tillfällen som sonder har lyckats analysera kosmiskt stoft direkt, nämligen Stardust och Rosetta-uppdragen, analysen fann komplexa molekyler, såsom den enkla aminosyran glycin. Under loppet av utvecklingen av ett planetsystem, organiska molekyler kan transporteras till planetariska ytor av meteoriter och tidiga kometer.

Hur dessa molekyler kan bildas i första hand, i de nästan tomma vidderna mellan stjärnor, är inte en enkel fråga alls. I yttre rymden, de flesta av atomerna och molekylerna är en del av en ultratunn gas, med knappt någon interaktion - än mindre de interaktioner som behövs för att bygga upp mer komplexa organiska molekyler.

På 1960-talet astronomer intresserade av interstellär kemi började utveckla idén att interstellära dammkorn kunde fungera som "interstellära laboratorier, " vilket skulle underlätta mer komplexa kemiska reaktioner. Sådana korn, oavsett om det är kolbaserat eller silikatbaserat, bildas vanligtvis i de yttre lagren av kalla stjärnor eller i efterdyningarna av supernovaexplosioner. I ett moln av gas och damm, olika typer av molekyler skulle fastna på det (kalla) kornet, molekyler skulle ackumuleras, och slutligen, intressanta kemiska reaktioner skulle äga rum. Specifikt, det skulle ta i storleksordningen 100, 000 år för ett dammkorn att samla en mantel av is (mest vattenis, men också några andra molekyler som kolmonoxid). Detta isiga lager skulle sedan fungera som ett litet kosmiskt kemilab.

Astronomer som var intresserade av detta ämne insåg snart att de behövde experiment för att tolka sina observationer av interstellära gasmoln. De skulle behöva studera istäckta dammkorn och deras interaktion med molekyler i laboratorier här på jorden. För detta ändamål, de skulle använda vakuumkammare, simulerar tomheten i rymden, samt lämpliga temperaturer. Eftersom antagandet vid den tiden var att det som räknades var kemi på den isiga ytan, det blev vanligt att använda islager för sådana experiment, appliceras på en vanlig yta såsom en kaliumbromid (KBr) kristallplatta eller en metallyta. Men det, de nya resultaten visar, kan bara vara en del av bilden, i bästa fall.

Planetbildning, såväl som sökandet efter livets ursprung, är viktiga forskningsmål för Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), och isiga dammkorn spelar en viktig roll för båda. Det är därför, sedan 2003, MPIA har haft en Laboratory Astrophysics and Cluster Physics Group vid Institute of Solid State Physics vid Friedrich Schiller University, Jena.

En del av gruppens utrustning är lasrar som kan användas för att skapa konstgjorda kosmiska dammkorn. För detta ändamål, en laser riktas mot ett grafitprov, eroderar (ablaterar) små partiklar från ytan, bara nanometer tvärs över (där en nanometer är en miljarddels meter). När Alexey Potapov från Jena Laboratory Astrophysics-gruppen, huvudförfattaren till den nya tidningen, och hans kollegor studerade sådana konstgjorda dammkorn, få olika typer av is att bildas på deras ytor, de började tvivla på standardbilden av kemi på tjocka isiga ytor.

Istället för korn helt täckta med flera lager fast is (vattenis, eller kolmonoxidis) som en lök, dammkornen de producerade i laboratoriet, att hålla sig så nära realistiska rymdförhållanden som möjligt, förlängdes, många rankade former – fluffiga nätverk av damm och is.

Med denna form, deras totala yta är mycket större (en faktor på några hundra) än för enklare former, och detta är en spelomvandlare för beräkningar av hur den detekterade mängden vatten i molekylära moln skulle täcka vissa korn:Från korn med låg yta, helt täckt av det tillgängliga vattnet, vi kommer istället till en mer utsträckt yta som kommer att ha tjockare lager på vissa ställen, medan det på andra platser inte finns mer än ett enda lager av iskristaller – helt enkelt för att det inte finns tillräckligt med vatten för att täcka hela den enormt utsträckta ytan med flera lager av is.

Denna struktur har djupgående konsekvenser för rollen av isiga dammkorn som små kosmiska laboratorier. Kemiska reaktioner beror på molekyler som har fastnat på ytan, och om hur dessa molekyler kan röra sig (försvinna), träffa andra molekyler, reagera, fastnar, eller lossnat igen. Dessa miljöförhållanden är helt annorlunda i den nya, fluffig, dammig version av de kosmiska laboratorierna.

Potapov säger, "Nu när vi vet att dammkorn spelar roll, en ny spelare har kommit in i det astrokemiska spelet. Att veta att den nya spelaren finns där ger oss en bättre chans att förstå de grundläggande kemiska reaktionerna som, i ett senare skede, kan ha lett till uppkomsten av liv i universum."

Också, om kornen inte är gömda under tjocka islager, men kan interagera med molekylerna som fäster vid ytan, de kan fungera som katalysatorer, förändra hastigheten för kemiska reaktioner genom deras blotta närvaro. Plötsligt, vissa reaktioner för bildning av organiska molekyler som formaldehyd, eller vissa ammoniakföreningar, borde bli mycket vanligare. Båda är viktiga föregångare till prebiotiska molekyler - så denna förändring i fokus skulle ha en direkt effekt på våra förklaringar till livets kemiska förhistoria på jorden.

Medförfattare och MPIA-direktör Thomas Henning säger, "Detta är spännande nya riktningar i sökandet efter bildandet av komplexa molekyler i rymden. För att följa upp, MPIA har precis öppnat sitt nya "Origins of Life"-laboratorium, som är skräddarsydd för denna nya typ av forskning."

Mer allmänt, de nya resultaten, tillsammans med ett antal liknande resultat som erhållits i tidigare experiment, utgör en väckarklocka för astrokemigemenskapen:Om du vill förstå astrokemi i det interstellära mediet, och dess konsekvenser för livets ursprung, gå bort från isig lök. Omfamna rollen som dammytor. Omfamna den möjliga fluffigheten i naturens små kosmiska laboratorier.