Due astronomi del Max Planck Institute for Astronomy e dell'Università di Jena hanno trovato un nuovo ed elegante metodo per misurare l'energia di semplici reazioni chimiche, in condizioni simili a quelle incontrate da atomi e molecole nel primo sistema solare. Il loro metodo promette misurazioni accurate delle energie di reazione che possono essere utilizzate per comprendere le reazioni chimiche in condizioni spaziali, comprese quelle reazioni responsabili della creazione di sostanze chimiche organiche come materia prima per lo sviluppo della vita.

Affinché la vita si formi, la natura aveva bisogno di molte materie prime sotto forma di complesse molecole organiche. È probabile che alcune di queste molecole si siano formate molto prima, nello spazio, durante la nascita del sistema solare. Studi sistematici delle necessarie reazioni chimiche, che avvengono sulle superfici scoscese e contorte dei granelli di polvere, erano e sono ostacolati dalla mancanza di dati. Quali reazioni elementari, coinvolgendo quali singoli reagenti sono possibili? Qual è la temperatura necessaria perché avvenga una reazione? Quali molecole vengono prodotte in quelle reazioni? Ora, Thomas Henning, direttore del Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), e Sergiy Krasnokutskiy del Laboratorio di Astrofisica del MPIA presso l'Università di Jena hanno sviluppato un metodo elegante per studiare tali reazioni superficiali elementari, utilizzando minuscole goccioline di elio liquido.

Nel primo sistema solare, molto prima della formazione della Terra, ha avuto luogo una complessa reazione chimica, creando notevoli quantità di molecole organiche. Il laboratorio cosmico per questi lavori di sintesi chimica era fornito da granelli di polvere - ammassi principalmente di silicati e carbonio, coperto da un manto di ghiaccio, con complicati e delicati viticci e ramificazioni, e su questa base con una proprietà cruciale:una superficie relativamente grande su cui potrebbero aver luogo reazioni chimiche. Nei milioni di anni che seguiranno, molti di quei granelli di polvere si raggrupperebbero insieme per formare strutture sempre più grandi, fino alla fine, sono emersi pianeti solidi, in orbita attorno al giovane Sole.

Creare le materie prime per la vita

Mentre tutti i composti organici sintetizzati sulle superfici dei grani verrebbero distrutti dal calore inevitabile durante la formazione dei pianeti, alcune delle molecole rimasero in attesa, incapsulato in, o aggrappandosi alla superficie di, piccoli granelli o grumi di roccia, così come nei corpi ghiacciati delle comete. Da un resoconto della storia della vita, una volta che la superficie terrestre si è sufficientemente raffreddata da consentire la formazione di acqua liquida, erano questi grani e rocce, colpire la superficie terrestre sotto forma di meteoriti, alcuni di loro atterrano al caldo, piccolo, stagni, che ha fornito la base chimica per la formazione della vita sul nostro pianeta.

Per comprendere i primi esperimenti chimici naturali nel nostro universo, dobbiamo conoscere le proprietà delle varie reazioni. Ad esempio, certe reazioni necessitano di una specifica energia di attivazione per avvenire? Qual è il prodotto finale di una data reazione? Questi parametri determinano quali reazioni possono avvenire in quali condizioni nel primo sistema solare, e sono fondamentali per qualsiasi ricostruzione realistica della chimica dei primi sistemi solari.

Dati scarsi sulle reazioni superficiali a bassa temperatura

Eppure i dati precisi su queste reazioni sono sorprendentemente scarsi. Anziché, una parte consistente della ricerca chimica è dedicata allo studio di tali reazioni in fase gassosa, con gli atomi e le molecole che fluttuano liberamente, collisione, e formare composti. Ma le reazioni chimiche cruciali nello spazio necessarie per costruire molecole organiche più grandi avvengono in condizioni nettamente diverse:sulle superfici dei granelli di polvere. Questo cambia anche la fisica di base della situazione:quando si forma una nuova molecola, l'energia della formazione del legame chimico è immagazzinata nella molecola appena creata. Se questa energia non viene ceduta all'ambiente, la nuova molecola sarà rapidamente distrutta. Ciò impedisce la formazione di molte specie di in fase gassosa. Su una superficie, o in un mezzo, dove l'energia può essere facilmente assorbita dalla materia aggiuntiva presente, le condizioni per certi tipi di reazioni che costruiscono molecole complesse, passo dopo passo, sono molto più favorevoli.

Henning e Krasnokutskiy hanno sviluppato un metodo elegante per misurare l'energia di tali reazioni. I loro modelli di laboratori cosmici sono goccioline di elio in miniatura, di pochi nanometri, alla deriva nel vuoto spinto. I reagenti, cioè gli atomi o le molecole destinate a prendere parte alla reazione – vengono portati nella camera del vuoto sotto forma di gas, ma in quantità così piccole che è estremamente probabile che le goccioline di elio raccolgano una singola molecola di ciascuna specie richiesta o nessuna, ma non di più. Le goccioline di elio fungono da mezzo che, simile alla superficie di un granello di polvere, può assorbire energia di reazione, permettendo che le reazioni avvengano in condizioni simili a quelle del primo sistema solare. Questo riproduce una caratteristica chiave della chimica superficiale rilevante (sebbene altre proprietà, come le proprietà catalitiche di una specifica superficie di polvere, non sono modellati).

Nanogocce come dispositivi di misurazione

Per di più, i due astronomi hanno utilizzato le nanogocce di elio come dispositivi di misurazione dell'energia (calorimetri). Quando l'energia di reazione viene rilasciata nella goccia, alcuni degli atomi di elio evaporeranno in modo prevedibile. La goccia rimanente è ora più piccola di prima:una differenza di dimensioni che può essere misurata utilizzando due metodi alternativi:un fascio di elettroni (una goccia più grande è più facile da colpire di una più piccola!) o una misurazione precisa della pressione nella camera a vuoto creato da gocce di elio che colpiscono il muro, dove goccioline più grandi producono una pressione maggiore. Calibrando il loro metodo utilizzando reazioni che erano state studiate in dettaglio in anticipo, e le cui proprietà sono ben note, i due astronomi sono stati in grado di aumentare notevolmente la precisione del metodo. Tutto sommato, il nuovo metodo fornisce un nuovo modo elegante di indagare il percorso di formazione di complesse molecole organiche nello spazio. Ciò dovrebbe consentire ai ricercatori di essere più specifici sulle materie prime con cui la natura ha dovuto lavorare nel periodo precedente all'emergere della vita sulla Terra. Ma c'è di più:

Le prime misurazioni con la nuova tecnica confermano una tendenza già visibile in altri recenti esperimenti:sulle superfici, a basse temperature, gli atomi di carbonio sono sorprendentemente reattivi. I ricercatori hanno scoperto un numero sorprendentemente alto - quasi una dozzina - di reazioni che coinvolgono atomi di carbonio senza barriere, questo è, che non richiedono ulteriore apporto di energia per procedere, e quindi può verificarsi a temperature molto basse. Chiaramente, la condensazione del gas atomico a basse temperature è destinata a portare alla formazione di una grande varietà di molecole organiche. Ma quella grande varietà possibile significa anche che le molecole di ogni specie specifica saranno molto rare.

Questo, a sua volta, suggerisce che gli astronomi potrebbero sottovalutare drasticamente la quantità di molecole organiche nello spazio. Quando si tratta di stimare le abbondanze, le osservazioni astronomiche esaminano separatamente le tracce (linee spettrali) di ciascuna specie molecolare. Se ci sono molte specie diverse di molecole organiche là fuori, ogni specie separata può "volare sotto il radar". Le sue molecole potrebbero essere presenti solo in quantità troppo piccole per essere rilevate dagli astronomi, e in aggiunta, anche le firme spia delle molecole (più in generale quelle di specifici gruppi funzionali comuni a diversi tipi di molecole) potrebbero essere leggermente alterate, facendo in modo che la molecola evada il rilevamento. Ma sommato, è possibile che tutte queste specie separate di molecole insieme possano costituire una notevole quantità di materia nello spazio esterno - un mondo nascosto dello spazio esterno di chimica organica.