Astrônomos do Instituto Max Planck de Astronomia e da Universidade de Jena obtiveram uma visão mais clara dos minúsculos laboratórios espaciais da natureza:minúsculos grãos de poeira cobertos de gelo. Em vez de formas regulares cobertas de gelo densamente, tais grãos parecem ser redes fofas de poeira, com finas camadas de gelo. Em particular, isso significa que os grãos de poeira têm superfícies consideravelmente maiores, que é onde a maioria das reações químicas ocorrem. Portanto, a nova estrutura tem consequências fundamentais para a visão dos astrônomos da química orgânica no espaço - e, portanto, para a gênese das moléculas prebióticas que poderiam ter desempenhado um papel importante na origem da vida na Terra.

Criar moléculas complexas no espaço profundo não é nada fácil. Com o melhor do conhecimento atual, os laboratórios naturais nos quais ocorrem as reações necessárias são grãos de poeira interestelar com superfícies geladas. Agora, novos resultados experimentais de Alexey Potapov do grupo de astrofísica do laboratório MPIA na Universidade de Jena e seus colegas demonstram que, sob condições realistas, as camadas de gelo podem ser tão finas que a estrutura da superfície dos próprios grãos de poeira desempenha um papel importante.

Isso abre um novo campo de estudo:aqueles que estão interessados ​​nas origens cósmicas das moléculas precursoras orgânicas da vida precisarão dar uma olhada nas diferentes propriedades das superfícies dos grãos de poeira cósmica, suas interações com pequenas quantidades de gelo, e no papel que os ambientes complexos resultantes desempenham em ajudar a sintetizar moléculas orgânicas complexas.

Quando pensamos sobre como a vida, e como nós mesmos, veio para estar neste universo, existem várias etapas importantes, abrangendo a física, química, e biologia. Até onde sabemos, a história da biologia mais antiga de nossas próprias origens aconteceu aqui na Terra, mas o mesmo não é verdade para a física ou química:a maioria dos elementos químicos, incluindo carbono e nitrogênio, foram criados por fusão nuclear dentro das estrelas ("Somos coisas de estrelas, "como Carl Sagan disse em uma frase famosa).

Moléculas, incluindo as moléculas orgânicas necessárias para formar aminoácidos, ou nosso próprio DNA, pode se formar no meio interestelar. Nas poucas ocasiões em que as sondas conseguiram analisar a poeira cósmica diretamente, ou seja, as missões Stardust e Rosetta, a análise encontrou moléculas complexas, como o aminoácido simples glicina. Ao longo da evolução de um sistema planetário, moléculas orgânicas podem ser transportadas para superfícies planetárias por meteoritos e cometas primitivos.

Como essas moléculas podem se formar em primeiro lugar, nas extensões quase vazias entre as estrelas, não é uma pergunta simples. No espaço, a maioria dos átomos e moléculas são parte de um gás ultrafino, com quase nenhuma interação - muito menos as interações necessárias para construir moléculas orgânicas mais complexas.

Na década de 1960, astrônomos interessados ​​em química interestelar começaram a desenvolver a ideia de que os grãos de poeira interestelar poderiam servir como "laboratórios interestelares, "o que facilitaria reações químicas mais complexas. Esses grãos, seja à base de carbono ou à base de silicato, normalmente se formam nas camadas externas de estrelas frias ou após explosões de supernovas. Em uma nuvem de gás e poeira, diferentes tipos de moléculas grudariam no grão (frio), moléculas se acumulariam, e eventualmente, interessantes reações químicas aconteceriam. Especificamente, seria da ordem de 100, 000 anos para um grão de poeira acumular um manto de gelo (principalmente gelo de água, mas também algumas outras moléculas como o monóxido de carbono). Essa camada de gelo serviria então como um minúsculo laboratório de química cósmica.

Astrônomos interessados ​​neste tópico logo perceberam que precisavam de experimentos para interpretar suas observações de nuvens de gás interestelar. Eles precisariam estudar os grãos de poeira cobertos de gelo e sua interação com as moléculas em laboratórios aqui na Terra. Para este fim, eles usariam câmaras de vácuo, simulando o vazio do espaço, bem como temperaturas apropriadas. Uma vez que a suposição na época era de que o que contava era a química na superfície gelada, tornou-se prática comum usar camadas de gelo para tais experimentos, aplicado a uma superfície comum, como uma placa de cristal de brometo de potássio (KBr) ou uma superfície de metal. Mas isso, os novos resultados mostram, só pode ser parte da imagem, no melhor.

Formação do planeta, bem como a busca pelas origens da vida, são os principais objetivos de pesquisa do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA), e grãos de poeira gelada desempenham um papel importante para ambos. Por isso, desde 2003, A MPIA manteve um Grupo de Astrofísica de Laboratório e Física de Clusters no Instituto de Física do Estado Sólido da Universidade Friedrich Schiller, Jena.

Parte do equipamento do grupo são lasers que podem ser usados ​​para criar grãos artificiais de poeira cósmica. Para este fim, um laser é apontado para um espécime de grafite, erosão (ablação) de partículas mínimas da superfície, meros nanômetros de diâmetro (onde um nanômetro é um bilionésimo de um metro). Quando Alexey Potapov do grupo Jena Laboratory Astrophysics, o autor principal do novo artigo, e seus colegas estudaram esses grãos de poeira artificial, induzindo diferentes tipos de gelo a se formar em suas superfícies, eles começaram a ter dúvidas sobre a imagem padrão da química em espessas superfícies geladas.

Em vez de grãos completamente cobertos com várias camadas de gelo sólido (gelo de água, ou gelo de monóxido de carbono) como uma cebola, os grãos de poeira que eles produziram em laboratório, ficando o mais próximo possível das condições realistas do espaço profundo, foram estendidos, formas multifacetadas - redes fofas de poeira e gelo.

Com esta forma, sua área de superfície total é muito maior (um fator de algumas centenas) do que para formas mais simples, e isso é uma virada de jogo para cálculos de como a quantidade detectada de água em nuvens moleculares cobriria alguns grãos:De grãos com baixa área de superfície, assim, totalmente coberto pela água disponível, em vez disso, chegamos a uma superfície mais estendida que terá camadas mais espessas em alguns lugares, enquanto em outros lugares não há mais do que uma única camada de cristais de gelo - simplesmente porque não há água suficiente para cobrir toda a extensão da superfície com várias camadas de gelo.

Essa estrutura tem consequências profundas para o papel dos grãos de poeira gelada como minúsculos laboratórios cósmicos. As reações químicas dependem de moléculas que ficaram presas na superfície, e como essas moléculas podem se mover (dissipar), encontrar outras moléculas, reagir, ficar preso, ou descolar novamente. Essas condições ambientais são completamente diferentes no novo, fofinho, versão empoeirada dos laboratórios cósmicos.

Potapov diz, "Agora que sabemos que os grãos de poeira importam, um novo jogador entrou no jogo astroquímico. Saber que o novo jogador está lá nos dá uma chance melhor de entender as reações químicas fundamentais que, num estado mais avançado, pode ter levado ao surgimento de vida no universo. "

Também, se os grãos não estiverem escondidos sob espessas camadas de gelo, mas pode interagir com as moléculas que aderem à superfície, eles podem atuar como catalisadores, alterando a taxa de reações químicas por sua mera presença. De repente, certas reações para a formação de moléculas orgânicas como formaldeído, ou certos compostos de amônia, deve se tornar muito mais comum. Ambos são precursores importantes de moléculas prebióticas - portanto, essa mudança de foco teria um efeito direto em nossas explicações para a pré-história química da vida na Terra.

O co-autor e diretor da MPIA, Thomas Henning, diz:"Essas são novas direções empolgantes na busca pela formação de moléculas complexas no espaço. Para acompanhar, A MPIA acaba de inaugurar seu novo laboratório "Origens da Vida", que é feito sob medida para este novo tipo de pesquisa. "

De forma geral, os novos resultados, juntamente com uma série de resultados semelhantes obtidos em experimentos anteriores, constituem uma chamada de atenção para a comunidade de astroquímica:se você quiser entender a astroquímica no meio interestelar, e suas consequências para as origens da vida, afaste-se das cebolas geladas. Abrace o papel das superfícies empoeiradas. Abrace a possível fofura dos minúsculos laboratórios cósmicos da natureza.