La foschia atmosferica di Titano, La luna più grande di Saturno (nella foto qui lungo la parte centrale di Saturno), viene catturato in questa immagine a colori naturali (riquadro a sinistra). Un nuovo studio, che ha coinvolto esperimenti presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab, ha fornito nuovi indizi sui passaggi chimici che potrebbero aver prodotto questa foschia. Credito:Laboratorio di propulsione a getto della NASA, Istituto di scienze spaziali, Caltech
La luna più grande di Saturno, Titano, è unico tra tutte le lune del nostro sistema solare per la sua atmosfera densa e ricca di azoto che contiene anche idrocarburi e altri composti, e la storia dietro la formazione di questa ricca miscela chimica è stata fonte di alcuni dibattiti scientifici.
Ora, una collaborazione di ricerca che ha coinvolto scienziati della Divisione di scienze chimiche presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia si è concentrata su un meccanismo chimico a bassa temperatura che potrebbe aver guidato la formazione di molecole a più anelli, i precursori di più complesse chimica ora trovata nello strato di foschia marrone-arancione della luna.
Lo studio, co-diretto da Ralf Kaiser presso l'Università delle Hawaii a Manoa e pubblicato nell'edizione dell'8 ottobre della rivista Astronomia della natura , va contro le teorie secondo cui sono necessari meccanismi di reazione ad alta temperatura per produrre la composizione chimica che le missioni satellitari hanno osservato nell'atmosfera di Titano.
Il team includeva anche altri ricercatori del Berkeley Lab, l'Università delle Hawaii a Manoa, Università di Samara in Russia, e la Florida International University. Il team ha utilizzato esperimenti di luce ultravioletta sotto vuoto presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, insieme a simulazioni al computer e lavori di modellazione per dimostrare le reazioni chimiche che contribuiscono alla moderna chimica atmosferica di Titano.
"Qui forniamo prove per un percorso di reazione a bassa temperatura a cui le persone non hanno pensato, " ha detto Musahid Ahmed, uno scienziato nella divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab e co-leader dello studio presso la SLA. "Questo dà origine a un anello mancante nella chimica di Titano".
Titano potrebbe fornire indizi sullo sviluppo di chimica complessa su altre lune e pianeti, compresa la Terra, Lui ha spiegato. "La gente usa Titano per pensare a una Terra 'pre-biotica', quando l'azoto era più diffuso nell'atmosfera della Terra primitiva".
Benzene, un semplice idrocarburo con una struttura molecolare ad anello singolo a sei atomi di carbonio, è stato rilevato su Titano e si ritiene sia un elemento costitutivo per molecole di idrocarburi più grandi con strutture a due e tre anelli che, a sua volta, formarono altri idrocarburi e particelle di aerosol che ora costituiscono l'atmosfera di Titano. Queste molecole di idrocarburi a più anelli sono note come idrocarburi policiclici aromatici (IPA).
Questo grafico mostra i calcoli per le potenziali superfici energetiche nei processi di reazione chimica che coinvolgono radicali naftile e gas vinilacetilene. La combinazione di questi gas può produrre una serie di composti, comprese le strutture molecolari a tre anelli. Credito:Long Zhao, Ralf I. Kaiser, et al., Astronomia della natura , DOI:10.1038/s41550-018-0585-y
Nell'ultimo studio, i ricercatori hanno miscelato due gas - un PAH a due anelli di breve durata noto come radicale naftile (C10H7) e un idrocarburo chiamato vinilacetilene (C4H4) - presso l'ALS, e ha prodotto PAH a tre anelli nel processo. Si presume che entrambe le sostanze chimiche utilizzate per guidare la reazione esistano su Titano in base a ciò che si sa sulla composizione chimica della sua atmosfera.
Gli esperimenti sulla SLA hanno espulso i prodotti finali delle reazioni da una piccola camera di reazione. I ricercatori hanno utilizzato un rivelatore noto come spettrometro di massa a tempo di volo a riflettore per misurare la massa dei frammenti molecolari prodotti nella reazione dei due gas. Tali misurazioni hanno fornito dettagli sulla chimica degli IPA a tre anelli (fenantrene e antracene).
Mentre gli esperimenti sulla SLA utilizzavano un reattore chimico per simulare la reazione chimica e un raggio di luce ultravioletta nel vuoto per rilevare i prodotti della reazione, calcoli e simulazioni di supporto hanno mostrato come le sostanze chimiche formate negli esperimenti sulla SLA non richiedano temperature elevate.
Gli IPA come le sostanze chimiche studiate alla SLA hanno proprietà che li rendono particolarmente difficili da identificare nello spazio profondo, disse Kaiser. "Infatti, non uno, i singoli PAH sono stati rilevati nella fase gassosa del mezzo interstellare, " che è il materiale che riempie lo spazio tra le stelle.
Ha aggiunto, "Il nostro studio dimostra che gli IPA sono più diffusi del previsto, poiché non richiedono le alte temperature che sono presenti intorno alle stelle di carbonio. Si prevede che questo meccanismo che abbiamo esplorato sarà versatile e dovrebbe portare alla formazione di IPA ancora più complessi".
E poiché gli IPA sono considerati precursori della formazione di nubi molecolari - le cosiddette "fabbriche molecolari" di molecole organiche più complesse che possono includere i precursori della vita come la conosciamo - questo potrebbe aprire teorie e nuovi modelli su come i composti contenenti carbonio il materiale nello spazio profondo e nelle ricche atmosfere dei pianeti e delle loro lune nel nostro sistema solare si evolvono e si originano, " Egli ha detto.
Alessandro M. Mebel, professore di chimica alla Florida International University e co-leader dello studio, effettuato calcoli che hanno mostrato come i reagenti possono naturalmente riunirsi e formare nuovi composti a temperature molto basse.
Gli scienziati hanno esplorato la chimica al lavoro quando si combinano due gas:uno composto da una struttura molecolare a due anelli nota come radicali naftilici (in alto a sinistra), e l'altro composto da un idrocarburo chiamato vinilacetilene (in basso a sinistra). Le sfere bianche rappresentano gli atomi di idrogeno e le sfere scure rappresentano gli atomi di carbonio. Dietro queste rappresentazioni molecolari 3D c'è un'immagine della luna di Saturno, Titano, ripresa dalla sonda spaziale Cassini della NASA. Credito:Wikimedia Commons, Laboratorio di propulsione a getto della NASA, Caltech, Istituto di scienze spaziali, Laboratorio di fisica applicata della John Hopkins University, Università dell'Arizona
"I nostri calcoli hanno rivelato il meccanismo di reazione, " ha detto Mebel. "Abbiamo dimostrato che non è necessaria alcuna energia per guidare la reazione di naftile e vinilacetilene, quindi la reazione dovrebbe essere efficiente anche nelle condizioni atmosferiche di bassa temperatura e bassa pressione su Titano."
Una chiave per lo studio è stata la modellazione dettagliata della cella del reattore in cui i gas sono stati miscelati.
Mebel ha notato che la modellazione delle energie e le simulazioni delle dinamiche del flusso di gas in gioco all'interno del reattore aiutano a monitorare l'andamento della reazione all'interno del reattore, e ha permesso ai ricercatori di collegare strettamente i risultati teorici con le osservazioni sperimentali.
Il lavoro di modellazione, che ha aiutato a prevedere le sostanze chimiche prodotte nelle reazioni basate sui gas iniziali e la temperatura e la pressione della camera riscaldata in cui i gas sono stati miscelati e colpiti con il raggio ultravioletto del vuoto, è stato guidato dal gruppo di ricerca dell'Università di Samara.
"Questa verifica del modello, 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.
