Ένας διδακτορικός φοιτητής του Σίδνεϊ δημιούργησε κοσμική σκόνη από την αρχή αναδημιουργώντας ένα μικροσκοπικό κομμάτι του σύμπαντος σε ένα μπουκάλι εργαστηρίου. Το πείραμα παρέχει νέες ενδείξεις για το πώς ορισμένα από τα χημικά στοιχεία που σχετίζονται με τη ζωή μπορεί να έχουν εξελιχθεί πριν σχηματιστεί η Γη.
Η Linda Losurdo, υποψήφια διδάκτωρ στη φυσική ύλης και πλάσματος στη Σχολή Φυσικής, συνδύασε άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα και ακετυλένιο για να προσομοιώσει τις ενεργειακές συνθήκες που βρίσκονται κοντά σε αστέρια και υπολείμματα σουπερνόβα.
Στη συνέχεια εξέθεσε τα αέρια σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό φορτίο. Η διαδικασία δημιούργησε υλικό που μοιάζει με σκόνη πλούσιο σε άνθρακα που επιπλέει στο διαστρικό διάστημα και αποθηκεύεται μέσα σε κομήτες, αστεροειδείς και μετεωρίτες.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται Astrophysical Journal of the American Astronomical Society.
Κοσμική σκόνη με τα απαραίτητα συστατικά της ζωής
Η εργαστηριακή σκόνη περιέχει έναν πολύπλοκο συνδυασμό άνθρακα, υδρογόνου, οξυγόνου και αζώτου. Μαζί, είναι γνωστά ως μόρια CHON και βρίσκονται σε πολλές οργανικές ουσίες που θεωρούνται σημαντικές για τη ζωή.
«Δεν χρειάζεται πλέον να περιμένουμε έναν αστεροειδή ή έναν κομήτη να φτάσει στη Γη για να κατανοήσουμε την ιστορία της», είπε η κ. Losurdo. «Μπορείτε να δημιουργήσετε αναλογικά περιβάλλοντα στο εργαστήριο και να αναστρέψεις τις δομές τους χρησιμοποιώντας υπέρυθρες δακτυλικές αποτυπώσεις.
«Αυτό μπορεί να μας δώσει μεγάλη εικόνα για το πώς η «ανθρακώδης κοσμική σκόνη» μπορεί να ανθίσει σε γιγάντια, παλιά αστέρια ή κοσμικά φυτώρια όπου γεννιούνται τα αστέρια και να παραδώσει αυτά τα συναρπαστικά μόρια που θα μπορούσαν να είναι σημαντικά για τη ζωή.
«Είναι σαν να αναδημιουργήσαμε ένα κομμάτι του σύμπαντος σε ένα μπουκάλι στο εργαστήριό μας».
Στο διάστημα, η κοσμική σκόνη εξελίσσεται κάτω από ακραίες συνθήκες. Τα μόρια χτυπιούνται επανειλημμένα από ιόντα και ηλεκτρόνια, ξεκινώντας χημικές αντιδράσεις που μπορούν να σχηματίσουν όλο και πιο πολύπλοκες ουσίες.
Οι αστρονόμοι εντοπίζουν διαφορετικούς τύπους κοσμικής σκόνης μελετώντας το υπέρυθρο φως που εκπέμπουν. Αυτά τα σήματα λειτουργούν σαν μοριακά δακτυλικά αποτυπώματα, επιτρέποντας στους ερευνητές να προσδιορίσουν τη χημική σύνθεση του υλικού.
Τα εργαστηριακά δείγματα του Losurdo παρήγαγαν την ίδια ευδιάκριτη υπέρυθρη υπογραφή που φαίνεται στο διάστημα. Αυτή η ομοιότητα δείχνει ότι το πείραμα αναπαράγει στενά τις διαδικασίες που πιστεύεται ότι συμβαίνουν σε πραγματικά κοσμολογικά περιβάλλοντα.
Ανιχνεύοντας την προέλευση των δομικών στοιχείων της ζωής
Το πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη είναι ένα από τα μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα στην επιστήμη. Οι ερευνητές συνεχίζουν να διερευνούν εάν τα πρώτα οργανικά μόρια που σχηματίστηκαν σε νεαρούς πλανήτες, έφτασαν σε κομήτες και μετεωρίτες, παραδόθηκαν καθώς σχηματιζόταν το Ηλιακό Σύστημα ή προέκυψαν από συνδυασμό αυτών των δυνατοτήτων.
Περίπου 4,56 δισεκατομμύρια έως 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, μετεωρίτες, μικρομετεωρίτες και διαπλανητική σκόνη από αστεροειδείς και κομήτες έπληξαν επανειλημμένα τη Γη. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτά τα αντικείμενα μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες οργανικού υλικού στην επιφάνεια.
Ωστόσο, το πού σχηματίστηκε αρχικά αυτό το υλικό και ποιες διαδικασίες το παρήγαγαν είναι ακόμα αβέβαιο.
«Ο ομοιοπολικά συνδεδεμένος άνθρακας και υδρογόνο στο υλικό των κομητών και των αστεροειδών πιστεύεται ότι έχουν σχηματιστεί στο εξωτερικό περίβλημα των άστρων, σε γεγονότα υψηλής ενέργειας όπως οι σουπερνόβα και στο διαστρικό περιβάλλον», είπε η κ. Losurdo.
«Αυτό που προσπαθούμε να καταλάβουμε είναι οι συγκεκριμένες χημικές οδοί και οι συνθήκες που ενσωματώνουν όλα τα στοιχεία CHON στις πολύπλοκες οργανικές δομές που βλέπουμε στην κοσμική σκόνη και τους μετεωρίτες».
Αναδημιουργία του χώρου μέσα στο γυάλινο σωλήνα
Ο Losurdo διεξήγαγε το πείραμα με τον επιβλέποντα του, καθηγητή David McKenzie. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αρχικά μια αντλία κενού για να αφαιρέσουν τον αέρα από τον γυάλινο σωλήνα, δημιουργώντας συνθήκες που προσέγγιζαν το σχεδόν κενό του χώρου.
Στη συνέχεια γεμίζουν τους σωλήνες με άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα και ακετυλένιο. Για περίπου μία ώρα, το μείγμα αερίων υποβλήθηκε σε ηλεκτρικό δυναμικό περίπου 10.000 βολτ. Αυτό παράγει ένα πλάσμα που ονομάζεται εκκένωση λάμψης.
Η έντονη ενέργεια διασπά τα μητρικά μόρια. Τα στοιχεία τους στη συνέχεια συνδυάζονται ξανά σε μεγαλύτερες και πιο σύνθετες χημικές δομές.
Με την πάροδο του χρόνου, το νεοσχηματισμένο υλικό κατακάθεται στα τσιπ πυριτίου που τοποθετούνται μέσα στους σωλήνες, αφήνοντας μια λεπτή επικάλυψη σκόνης. Σε ορισμένα δείγματα, τα σωματίδια που συλλέγονται μοιάζουν με αφρώδη θραύσματα κοσμικής ύλης.
Ο McKenzie, συν-συγγραφέας της μελέτης, είπε ότι η δημιουργία αυτής της σκόνης στη Γη δίνει στους επιστήμονες πρόσβαση σε συνθήκες που δεν μπορούν να δοκιμαστούν απευθείας στο διάστημα.
«Δημιουργώντας κοσμική σκόνη στο εργαστήριο, μπορούμε να εξερευνήσουμε τα φαινόμενα ιόντων και τις εντάσεις θερμοκρασίας που εμπλέκονται στο σχηματισμό σκόνης στο διάστημα», δήλωσε ο καθηγητής McKenzie. «Αυτό είναι σημαντικό εάν θέλετε να κατανοήσετε το περιβάλλον μέσα στα σύννεφα κοσμικής σκόνης, όπου πιστεύεται ότι λαμβάνει χώρα η σχετική με τη ζωή χημεία.
“Μας βοηθά να ερμηνεύσουμε τι συνέβη σε ένα μετεωρίτη ή θραύσμα αστεροειδούς κατά τη διάρκεια της ζωής του. Η χημική του υπογραφή περιέχει ένα αρχείο του ταξιδιού του και πειράματα όπως αυτό μας βοηθούν να μάθουμε πώς να διαβάζουμε αυτό το αρχείο.”
Δημιουργία βιβλιοθήκης δακτυλικών αποτυπωμάτων για αστρονόμους
Η έρευνα μπορεί να κάνει περισσότερα από το να διευκρινίσει πώς σχηματίστηκαν για πρώτη φορά τα μόρια που σχετίζονται με τη ζωή. Η ομάδα σχεδιάζει να συγκεντρώσει μια λεπτομερή βάση δεδομένων υπέρυθρων δακτυλικών αποτυπωμάτων που παράγονται από διάφορους τύπους κοσμικής σκόνης που δημιουργείται από το εργαστήριο.
Οι αστρονόμοι μπορούν να συγκρίνουν αυτές τις υπογραφές με παρατηρήσεις περιοχών σχηματισμού άστρων και υπολείμματα νεκρών αστεριών. Ένα συνδυασμένο σήμα μπορεί να αποκαλύψει πού σχηματίζονται συγκεκριμένοι τύποι σκόνης και να βοηθήσει τους ερευνητές να ανασυνθέσουν τις φυσικές και χημικές διεργασίες που συμβαίνουν εκεί.
Η βάση δεδομένων θα μπορούσε επίσης να βελτιώσει την ικανότητα των επιστημόνων να ερμηνεύουν την ιστορία που καταγράφεται μέσα σε μετεωρίτες και θραύσματα αστεροειδών. Η χημεία τους μπορεί να διατηρήσει στοιχεία της θερμοκρασίας, της ακτινοβολίας και των επιπτώσεων των σωματιδίων που βίωσαν κατά τη διάρκεια των ταξιδιών τους στο διάστημα.
Με την αναπαραγωγή της κοσμολογικής χημείας στο εργαστήριο, η έρευνα δίνει στους ερευνητές έναν νέο τρόπο να διερευνήσουν διεργασίες που συμβαίνουν βαθιά στο αστρικό περιβάλλον. Μπορεί επίσης να ρίξει φως σε μερικά από τα αρχαία χημικά βήματα που τελικά συνέβαλαν στην εμφάνιση της ζωής στη Γη.
Ο Losurdo έλαβε το Βραβείο Καλύτερης Παρουσίασης για αυτή τη μελέτη στη Διεθνή Ετήσια Συνάντηση της Μετεωρολογικής Εταιρείας στα τέλη του περασμένου έτους.
Οι συγγραφείς αναφέρουν ότι δεν υπάρχουν ανταγωνιστικά ενδιαφέροντα. Αναγνωρίζουν την υποστήριξη από το University of Sydney Node in Microscopy Australia και το έργο έλαβε χρηματοδότηση από το Αυστραλιανό Ερευνητικό Συμβούλιο.
