På den här bilden av Spirograph Nebula, en döende stjärna cirka 2 000 ljusår från jorden, avslöjade NASA:s Hubble Space Telescope några anmärkningsvärda texturer som väver sig genom stjärnans hölje av damm och gas. UArizona-forskare har nu hittat bevis för att komplexa kolnanorör kan smidas i sådana miljöer. Kredit:NASA och The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Bevis tyder på att kolnanorör, små rör som består av rent kol, skulle kunna smidas i höljena av damm och gas som omger döende stjärnor. Fynden föreslår en enkel, men ändå elegant mekanism för bildning och överlevnad av komplexa kolmolekyler i rymden.
I mitten av 1980-talet väckte upptäckten av komplexa kolmolekyler som driver genom det interstellära mediet stor uppmärksamhet, med de kanske mest kända exemplen var Buckminsterfulleren, eller "buckyballs" - sfärer som består av 60 eller 70 kolatomer. Men forskare har kämpat för att förstå hur dessa molekyler kan bildas i rymden.
I en artikel som godkänts för publicering i Journal of Physical Chemistry A , föreslår forskare från University of Arizona en förvånansvärt enkel förklaring. Efter att ha exponerat kiselkarbid - en vanlig ingrediens i dammkorn i planetariska nebulosor - för förhållanden som liknar de som finns runt döende stjärnor, observerade forskarna spontan bildning av kolnanorör, som är mycket strukturerade stavliknande molekyler som består av flera lager av kolskikt . Resultaten presenterades den 16 juni vid det 240:e mötet för American Astronomical Society i Pasadena, Kalifornien.
Under ledning av UArizona-forskaren Jacob Bernal bygger arbetet på forskning som publicerades 2019, då gruppen visade att de kunde skapa buckyballs med samma experimentella uppsättning. Arbetet tyder på att buckyballs och kolnanorör kan bildas när kiselkarbiddamm från döende stjärnor träffas av höga temperaturer, stötvågor och högenergipartiklar, läcker kisel från ytan och lämnar kol efter sig.
Fynden stöder tanken att döende stjärnor kan sådd det interstellära mediet med nanorör och möjligen andra komplexa kolmolekyler. Resultaten har implikationer för astrobiologin, eftersom de tillhandahåller en mekanism för att koncentrera kol som sedan kan transporteras till planetsystem.
"Vi vet från infraröda observationer att buckyballs befolkar det interstellära mediet", säger Bernal, en postdoktoral forskningsassistent vid UArizona Lunar and Planetary Laboratory. "Det stora problemet har varit att förklara hur dessa massiva, komplexa kolmolekyler möjligen kan bildas i en miljö mättad med väte, vilket är vad du vanligtvis har runt en döende stjärna."
Bildandet av kolrika molekyler, än mindre arter som innehåller rent kol, i närvaro av väte är praktiskt taget omöjligt på grund av termodynamiska lagar. De nya studieresultaten erbjuder ett alternativt scenario:Istället för att sätta samman individuella kolatomer, kan buckyballs och nanorör bli resultatet av att helt enkelt omorganisera strukturen av grafen – enskiktiga kolskivor som är kända för att bildas på ytan av upphettade kiselkarbidkorn.
Detta är exakt vad Bernal och hans medförfattare observerade när de värmde kommersiellt tillgängliga kiselkarbidprover till temperaturer som förekommer i döende eller döda stjärnor och avbildade dem. När temperaturen närmade sig 1 050 grader Celsius observerades små halvsfäriska strukturer med en ungefärlig storlek på cirka 1 nanometer vid kornytan. Inom några minuter efter fortsatt uppvärmning började de sfäriska knopparna växa till stavliknande strukturer, innehållande flera grafenlager med krökning och dimensioner som indikerar en rörform. De resulterande nanorörerna varierade från cirka 3 till 4 nanometer i längd och bredd, större än buckyballs. De största avbildade exemplaren bestod av mer än fyra lager av grafitkol. Under uppvärmningsexperimentet observerades rören vicka innan de knoppade av ytan och sögs in i vakuumet som omger provet.
"Vi blev förvånade över att vi kunde göra dessa extraordinära strukturer," sa Bernal. "Kemiskt sett är våra nanorör väldigt enkla, men de är extremt vackra."
Uppkallad efter deras likhet med arkitektoniska verk av Richard Buckminster Fuller, är fullerener de största molekylerna som för närvarande är kända för att förekomma i det interstellära rymden, som i årtionden ansågs sakna molekyler som innehåller mer än ett fåtal atomer, högst 10. Det är nu väl etablerat att fullerenerna C60 och C70, som innehåller 60 respektive 70 kolatomer, är vanliga ingredienser i det interstellära mediet.
Ett av de första i sitt slag i världen, transmissionselektronmikroskopet som finns vid Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility i UArizona är unikt lämpat för att simulera planetariska nebulosans miljö. Dess 200 000 volts elektronstråle kan undersöka materia ner till 78 picometers - avståndet mellan två väteatomer i en vattenmolekyl - vilket gör det möjligt att se enskilda atomer. Instrumentet arbetar i ett vakuum som nära liknar trycket – eller avsaknaden av det – som tros existera i cirkumstellära miljöer.
Medan en sfärisk C60-molekyl mäter 0,7 nanometer i diameter, mätte nanorörsstrukturerna som bildades i detta experiment flera gånger storleken på C60, och översteg lätt 1 000 kolatomer. Studieförfattarna är övertygade om att deras experiment exakt replikerade temperatur- och densitetsförhållandena som skulle förväntas i en planetarisk nebulosa, säger medförfattaren Lucy Ziurys, en UArizona Regents professor i astronomi, kemi och biokemi.
"Vi vet att råmaterialet finns där, och vi vet att förhållandena är mycket nära vad du skulle se nära en döende stjärnas hölje", sa hon. "Det finns chockvågor som passerar genom höljet, så temperatur- och tryckförhållandena har visat sig existera i rymden. Vi ser också buckyballs i dessa planetariska nebulosor - med andra ord, vi ser början och slutprodukterna du kan förvänta dig i våra experiment."
Dessa experimentella simuleringar tyder på att kolnanorör, tillsammans med de mindre fullerenerna, därefter injiceras i det interstellära mediet. Kolnanorör är kända för att ha hög stabilitet mot strålning, och fullerener kan överleva i miljontals år när de är tillräckligt avskärmade från kosmisk strålning med hög energi. Kolrika meteoriter, som kolhaltiga kondriter, kan också innehålla dessa strukturer, föreslår forskarna.
Enligt studiens medförfattare Tom Zega, professor i UArizona Lunar and Planetary Lab, är utmaningen att hitta nanorör i dessa meteoriter, på grund av de mycket små kornstorlekarna och eftersom meteoriterna är en komplex blandning av organiska och oorganiska material, vissa med storlekar som liknar de för nanorör.
"Icke desto mindre tyder våra experiment på att sådana material kunde ha bildats i det interstellära rymden," sa Zega. "Om de överlevde resan till vår lokala del av galaxen där vårt solsystem bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan, då skulle de kunna bevaras inuti det material som blev över."
Zega sa att ett utmärkt exempel på sådant överblivet material är Bennu, en kolhaltig jordnära asteroid från vilken NASA:s UArizona-ledda OSIRIS-REx-uppdrag tog ett prov i oktober 2020. Forskare väntar ivrigt på ankomsten av det provet, planerat till 2023.
"Asteroid Bennu kunde ha bevarat dessa material, så det är möjligt att vi kan hitta nanorör i dem," sa Zega. + Utforska vidare
