Gli astronomi del Max Planck Institute for Astronomy e dell'Università di Jena hanno ottenuto una visione più chiara dei minuscoli laboratori della natura nello spazio profondo:minuscoli granelli di polvere ricoperti di ghiaccio. Invece di forme regolari ricoperte di ghiaccio, tali granelli sembrano essere soffici reti di polvere, con sottili strati di ghiaccio. In particolare, ciò significa che i granelli di polvere hanno superfici notevolmente più grandi, dove avviene la maggior parte delle reazioni chimiche. Quindi, la nuova struttura ha conseguenze fondamentali per la visione degli astronomi della chimica organica nello spazio, e quindi per la genesi di molecole prebiotiche che avrebbero potuto svolgere un ruolo importante per l'origine della vita sulla Terra.

Creare molecole complesse nello spazio profondo è tutt'altro che facile. Al meglio delle attuali conoscenze, i laboratori naturali in cui avvengono le necessarie reazioni sono granelli di polvere interstellare con superfici ghiacciate. Ora, nuovi risultati sperimentali di Alexey Potapov del gruppo di astrofisica del laboratorio MPIA dell'Università di Jena e dei suoi colleghi dimostrano che, in condizioni realistiche, gli strati di ghiaccio possono essere così sottili che la struttura superficiale degli stessi granelli di polvere gioca un ruolo importante.

Ciò apre un nuovo campo di studio:coloro che sono interessati alle origini cosmiche delle molecole organiche precursori della vita dovranno esaminare più da vicino le diverse proprietà delle superfici dei grani di polvere cosmica, le loro interazioni con piccole quantità di ghiaccio, e al ruolo che gli ambienti complessi risultanti svolgono nell'aiutare a sintetizzare molecole organiche complesse.

Quando pensiamo a come la vita, e come noi stessi, sono venuti per essere in questo universo, ci sono diversi passaggi importanti, fisica che abbraccia, chimica, e biologia. Per quanto ne sappiamo, la prima biologia della nostra storia delle origini ha avuto luogo qui sulla Terra, ma lo stesso non vale né per la fisica né per la chimica:la maggior parte degli elementi chimici, compreso carbonio e azoto, sono stati creati dalla fusione nucleare all'interno delle stelle ("Siamo roba da stelle, " come diceva Carl Sagan).

molecole, comprese le molecole organiche necessarie per formare amminoacidi, o il nostro DNA, può formarsi nel mezzo interstellare. Nelle poche occasioni in cui le sonde sono riuscite ad analizzare direttamente la polvere cosmica, ovvero le missioni Stardust e Rosetta, l'analisi ha trovato molecole complesse, come il semplice amminoacido glicina. Nel corso dell'evoluzione di un sistema planetario, le molecole organiche possono essere trasportate sulle superfici planetarie dai meteoriti e dalle prime comete.

Come quelle molecole possono formarsi in primo luogo, nelle distese quasi vuote tra le stelle, non è affatto una domanda semplice. Nello spazio esterno, la maggior parte degli atomi e delle molecole fa parte di un gas ultrasottile, con quasi nessuna interazione, per non parlare delle interazioni necessarie per costruire molecole organiche più complesse.

Negli anni Sessanta, gli astronomi interessati alla chimica interstellare iniziarono a sviluppare l'idea che i grani di polvere interstellare potessero fungere da "laboratori interstellari, " che faciliterebbe reazioni chimiche più complesse. Tali grani, se a base di carbonio o a base di silicato, tipicamente si formano negli strati esterni di stelle fredde o all'indomani delle esplosioni di supernova. In una nuvola di gas e polvere, diversi tipi di molecole si attaccherebbero al grano (freddo), le molecole si accumulerebbero, ed eventualmente, avverrebbero interessanti reazioni chimiche. Nello specifico, ci vorrebbe nell'ordine di 100, 000 anni perché un granello di polvere accumuli un mantello di ghiaccio (principalmente ghiaccio d'acqua, ma anche alcune altre molecole come il monossido di carbonio). Questo strato ghiacciato servirebbe quindi come un minuscolo laboratorio di chimica cosmica.

Gli astronomi interessati a questo argomento si sono presto resi conto che avevano bisogno di esperimenti per interpretare le loro osservazioni sulle nubi di gas interstellari. Avrebbero bisogno di studiare i granelli di polvere ricoperti di ghiaccio e la loro interazione con le molecole nei laboratori qui sulla Terra. A tal fine, userebbero camere a vuoto, simulando il vuoto dello spazio, oltre a temperature adeguate. Poiché all'epoca si presumeva che ciò che contava fosse la chimica sulla superficie ghiacciata, divenne pratica comune utilizzare strati di ghiaccio per tali esperimenti, applicato su una superficie ordinaria come una lastra di cristallo di bromuro di potassio (KBr) o una superficie metallica. Ma quello, i nuovi risultati mostrano, può essere solo una parte dell'immagine, al massimo.

Formazione del pianeta, così come la ricerca delle origini della vita, sono obiettivi di ricerca chiave per il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), e granelli di polvere ghiacciata svolgono un ruolo importante per entrambi. È per questo, dal 2003, MPIA ha mantenuto un gruppo di laboratorio di astrofisica e fisica dei cluster presso l'Istituto di fisica dello stato solido dell'Università Friedrich Schiller, Jena.

Parte dell'attrezzatura del gruppo sono i laser che possono essere utilizzati per creare grani di polvere cosmica artificiale. A tal fine, un laser è puntato su un campione di grafite, l'erosione (ablazione) di minuscole particelle dalla superficie, semplici nanometri di diametro (dove un nanometro è un miliardesimo di metro). Quando Alexey Potapov del gruppo di astrofisica del laboratorio di Jena, l'autore principale del nuovo articolo, e i suoi colleghi hanno studiato tali granelli di polvere artificiale, inducendo diversi tipi di ghiaccio a formarsi sulle loro superfici, cominciarono ad avere dubbi sull'immagine standard della chimica su spesse superfici ghiacciate.

Invece di grani completamente ricoperti da più strati di ghiaccio solido (ghiaccio d'acqua, o monossido di carbonio) come una cipolla, i granelli di polvere che producevano in laboratorio, stare il più vicino possibile a condizioni realistiche dello spazio profondo, sono stati estesi, forme con molte antenne:soffici reti di polvere e ghiaccio.

Con questa forma, la loro superficie totale è molto più grande (un fattore di poche centinaia) rispetto a forme più semplici, e questo è un punto di svolta per i calcoli di come la quantità di acqua rilevata nelle nubi molecolari coprirebbe alcuni grani:dai grani con superficie bassa, così completamente coperta dall'acqua disponibile, si arriva invece ad una superficie più estesa che avrà in alcuni punti strati più spessi, mentre in altri luoghi non c'è più di un singolo strato di cristalli di ghiaccio, semplicemente perché non c'è abbastanza acqua per coprire tutta la superficie enormemente estesa con diversi strati di ghiaccio.

Questa struttura ha profonde conseguenze per il ruolo dei granelli di polvere ghiacciata come minuscoli laboratori cosmici. Le reazioni chimiche dipendono dalle molecole che sono rimaste bloccate sulla superficie, e su come queste molecole possono muoversi (dissiparsi), incontrare altre molecole, reagire, rimanere bloccato, o sbloccato di nuovo. Queste condizioni ambientali sono completamente diverse nel nuovo, soffice, versione polverosa dei laboratori cosmici.

Potapov dice, "Ora che sappiamo che i grani di polvere contano, un nuovo giocatore è entrato nel gioco astrochimico. Sapere che il nuovo giocatore è lì ci dà una migliore possibilità di capire le reazioni chimiche fondamentali che, in una fase successiva, potrebbe aver portato alla nascita della vita nell'universo."

Anche, se i grani non sono nascosti sotto spessi strati di ghiaccio, ma può interagire con le molecole aderenti alla superficie, possono agire da catalizzatori, alterando la velocità delle reazioni chimiche per la loro semplice presenza. Ad un tratto, alcune reazioni per la formazione di molecole organiche come la formaldeide, o alcuni composti di ammoniaca, dovrebbe diventare molto più comune. Entrambi sono importanti precursori delle molecole prebiotiche, quindi questo cambiamento di focus avrebbe un effetto diretto sulle nostre spiegazioni per la preistoria chimica della vita sulla Terra.

Il coautore e direttore di MPIA Thomas Henning afferma:"Si tratta di nuove entusiasmanti direzioni nella ricerca della formazione di molecole complesse nello spazio. Per seguire, MPIA ha appena aperto il suo nuovo laboratorio "Origini della Vita", che si adatta a questo nuovo tipo di ricerca."

Più generalmente, i nuovi risultati, insieme a una serie di risultati simili ottenuti in esperimenti precedenti, costituiscono un campanello d'allarme per la comunità dell'astrochimica:se vuoi capire l'astrochimica nel mezzo interstellare, e le sue conseguenze per le origini della vita, allontanarsi dalle cipolle ghiacciate. Abbraccia il ruolo delle superfici polverose. Abbraccia la possibile morbidezza dei minuscoli laboratori cosmici della natura.