Los astrónomos del Instituto Max Planck de Astronomía y la Universidad de Jena han obtenido una visión más clara de los diminutos laboratorios del espacio profundo de la naturaleza:diminutos granos de polvo cubiertos de hielo. En lugar de formas regulares cubiertas densamente de hielo, tales granos parecen ser redes esponjosas de polvo, con finas capas de hielo. En particular, eso significa que los granos de polvo tienen superficies considerablemente más grandes, que es donde tienen lugar la mayoría de las reacciones químicas. Por eso, la nueva estructura tiene consecuencias fundamentales para la visión de los astrónomos de la química orgánica en el espacio y, por lo tanto, para la génesis de moléculas prebióticas que podrían haber jugado un papel importante en el origen de la vida en la Tierra.

Crear moléculas complejas en el espacio profundo no es nada fácil. Según el mejor conocimiento actual, los laboratorios naturales en los que tienen lugar las reacciones necesarias son los granos de polvo interestelar con superficies heladas. Ahora, nuevos resultados experimentales de Alexey Potapov del grupo de astrofísica de laboratorio MPIA en la Universidad de Jena y sus colegas demuestran que, en condiciones realistas, las capas de hielo pueden ser tan delgadas que la estructura de la superficie de los granos de polvo desempeña un papel importante.

Esto abre un nuevo campo de estudio:aquellos que estén interesados ​​en los orígenes cósmicos de las moléculas orgánicas precursoras de la vida deberán observar más de cerca las diferentes propiedades de las superficies de los granos de polvo cósmico. sus interacciones con pequeñas cantidades de hielo, y el papel que desempeñan los entornos complejos resultantes para ayudar a sintetizar moléculas orgánicas complejas.

Cuando pensamos en cómo la vida y como nosotros mismos, han llegado a estar en este universo, hay varios pasos importantes, abarcando la física, química, y biología. Hasta donde sabemos, la historia de la biología más temprana de nuestros propios orígenes tuvo lugar aquí en la Tierra, pero lo mismo no es cierto ni para la física ni para la química:la mayoría de los elementos químicos, incluyendo carbono y nitrógeno, han sido creados por fusión nuclear dentro de las estrellas ("Somos cosas de estrellas, "como dijo Carl Sagan).

Moléculas, incluyendo las moléculas orgánicas necesarias para formar aminoácidos, o nuestro propio ADN, puede formarse en el medio interestelar. En las pocas ocasiones en que las sondas han logrado analizar directamente el polvo cósmico, a saber, las misiones Stardust y Rosetta, el análisis encontró moléculas complejas, como el aminoácido simple glicina. A lo largo de la evolución de un sistema planetario, Los meteoritos y los primeros cometas pueden transportar moléculas orgánicas a las superficies planetarias.

Cómo se pueden formar esas moléculas en primer lugar, en las extensiones casi vacías entre las estrellas, no es una pregunta sencilla en absoluto. En el espacio exterior, la mayoría de los átomos y moléculas son parte de un gas ultrafino, sin apenas interacción, y mucho menos las interacciones necesarias para construir moléculas orgánicas más complejas.

En los años 1960, Los astrónomos interesados ​​en la química interestelar comenzaron a desarrollar la idea de que los granos de polvo interestelar podrían servir como "laboratorios interestelares, "lo que facilitaría reacciones químicas más complejas. Tales granos, ya sea a base de carbono o de silicato, típicamente se forman en las capas externas de estrellas frías o como consecuencia de explosiones de supernovas. En una nube de gas y polvo diferentes tipos de moléculas se adhieren al grano (frío), las moléculas se acumularían, y eventualmente, tendrían lugar interesantes reacciones químicas. Específicamente, tomaría del orden de 100, 000 años para que un grano de polvo acumule un manto de hielo (principalmente agua helada, pero también algunas otras moléculas como el monóxido de carbono). Esta capa de hielo serviría entonces como un pequeño laboratorio de química cósmica.

Los astrónomos interesados ​​en este tema pronto se dieron cuenta de que necesitaban experimentos para interpretar sus observaciones de las nubes de gas interestelares. Tendrían que estudiar los granos de polvo cubiertos de hielo y su interacción con las moléculas en los laboratorios aquí en la Tierra. Para tal fin, usarían cámaras de vacío, simulando el vacío del espacio, así como las temperaturas adecuadas. Dado que la suposición en ese momento era que lo que contaba era la química en la superficie helada, se convirtió en una práctica común utilizar capas de hielo para tales experimentos, aplicado a una superficie ordinaria, como una placa de cristal de bromuro de potasio (KBr) o una superficie metálica. Pero eso, los nuevos resultados muestran, solo puede ser parte de la imagen, a lo mejor.

Formación de planetas, así como la búsqueda de los orígenes de la vida, son objetivos de investigación clave para el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), y los granos de polvo helado juegan un papel importante para ambos. Es por eso que, desde 2003, MPIA ha mantenido un Grupo de Astrofísica de Laboratorio y Física de Clústeres en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Friedrich Schiller, Jena.

Parte del equipo del grupo son láseres que pueden usarse para crear granos de polvo cósmico artificiales. Para tal fin, se apunta un láser a una muestra de grafito, erosionar (ablación) partículas diminutas de la superficie, meros nanómetros de ancho (donde un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). Cuando Alexey Potapov del grupo de Astrofísica del Laboratorio de Jena, el autor principal del nuevo artículo, y sus colegas estudiaron tales granos de polvo artificial, inducir la formación de diferentes tipos de hielo en sus superficies, empezaron a tener dudas sobre la imagen estándar de la química en superficies gruesas y heladas.

En lugar de granos completamente cubiertos con varias capas de hielo sólido (hielo de agua, o hielo de monóxido de carbono) como una cebolla, los granos de polvo que produjeron en el laboratorio, mantenerse lo más cerca posible de las condiciones realistas del espacio profundo, fueron extendidos, Formas de muchos zarcillos:redes esponjosas de polvo y hielo.

Con esta forma, su área de superficie total es mucho mayor (un factor de unos pocos cientos) que para las formas más simples, y esto es un cambio de juego para los cálculos de cómo la cantidad de agua detectada en las nubes moleculares cubriría algunos granos:de granos con área de superficie baja, así cubierto completamente por el agua disponible, llegamos en cambio a una superficie más extendida que tendrá capas más gruesas en algunos lugares, mientras que en otros lugares no hay más que una sola capa de cristales de hielo, simplemente porque no hay suficiente agua para cubrir toda la superficie enormemente extendida con varias capas de hielo.

Esta estructura tiene profundas consecuencias para el papel de los granos de polvo helado como pequeños laboratorios cósmicos. Las reacciones químicas dependen de las moléculas que se han quedado atascadas en la superficie, y sobre cómo esas moléculas pueden moverse (disiparse), conocer otras moléculas, reaccionar, quedarse atascado, o despegar de nuevo. Esas condiciones ambientales son completamente diferentes en el nuevo, esponjoso, versión polvorienta de los laboratorios cósmicos.

Potapov dice:"Ahora que sabemos que los granos de polvo son importantes, un nuevo jugador ha entrado en el juego astroquímico. Saber que el nuevo jugador está ahí nos da una mejor oportunidad de comprender las reacciones químicas fundamentales que, En una etapa posterior, podría haber llevado a la aparición de vida en el universo ".

También, si los granos no están ocultos bajo gruesas capas de hielo, pero puede interactuar con las moléculas adheridas a la superficie, pueden actuar como catalizadores, alterando la velocidad de las reacciones químicas por su mera presencia. Repentinamente, ciertas reacciones para la formación de moléculas orgánicas como el formaldehído, o ciertos compuestos de amoniaco, debería volverse mucho más común. Ambos son precursores importantes de moléculas prebióticas, por lo que este cambio de enfoque tendría un efecto directo en nuestras explicaciones de la prehistoria química de la vida en la Tierra.

El coautor y director de MPIA, Thomas Henning, dice:"Estas son nuevas y emocionantes direcciones en la búsqueda de la formación de moléculas complejas en el espacio. A continuación, MPIA acaba de abrir su nuevo laboratorio "Origins of Life", que se adapta a este nuevo tipo de investigación ".

Más generalmente, los nuevos resultados, junto con una serie de resultados similares obtenidos en experimentos anteriores, constituyen una llamada de atención para la comunidad de astroquímica:si desea comprender la astroquímica en el medio interestelar, y sus consecuencias para los orígenes de la vida, aléjate de las cebollas heladas. Adopte el papel de las superficies polvorientas. Abraza la posible esponjosidad de los diminutos laboratorios cósmicos de la naturaleza.