Een ster is geboren: studie onthult complexe chemie in 'stellaire kinderkamers'

[univers]

Een internationaal team van onderzoekers heeft ontdekt wat een cruciale stap zou kunnen zijn in de chemische evolutie van moleculen in kosmische 'stellaire kraamkamers'. In deze enorme wolken van koud gas en stof in de ruimte wervelen biljoenen moleculen gedurende miljoenen jaren samen. Het instorten van deze interstellaire wolken geeft uiteindelijk aanleiding tot jonge sterren en planeten.

Net als menselijke lichamen bevatten stellaire kraamkamers veel organische moleculen, die voornamelijk uit koolstof- en waterstofatomen bestaan. De resultaten van de groep, gepubliceerd op 6 februari in het tijdschrift Nature Astronomy , laten zien hoe bepaalde grote organische moleculen zich in deze wolken kunnen vormen. Het is een kleine stap in de eeuwenlange chemische reis die koolstofatomen ondergaan - ze vormen zich in de harten van stervende sterren en worden vervolgens onderdeel van planeten, levende organismen op aarde en misschien daarbuiten.

"In deze koude moleculaire wolken creëer je de eerste bouwstenen die uiteindelijk sterren en planeten zullen vormen", zegt Jordy Bouwman, onderzoeksmedewerker bij het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica (LASP) en assistent-professor in de Afdeling Scheikunde aan CU Boulder.


Afbeelding die laat zien hoe hexagonaal gevormde orthobenzynemoleculen kunnen combineren met methylradicalen om een ​​reeks grotere organische moleculen te vormen, die elk een ring van vijf koolstofatomen bevatten. (Credit: Henry Cardwell)

Voor de nieuwe studie doken Bouwman en zijn collega's diep in één sterrenkraamkamer in het bijzonder: de Taurus Molecular Cloud (TMC-1). Dit gebied bevindt zich in het sterrenbeeld Stier en is ongeveer 440 lichtjaar (meer dan 2 biljard mijl) van de aarde verwijderd. De chemisch complexe omgeving is een voorbeeld van wat astronomen een 'aangroeiende sterloze kern' noemen. De wolk begint in te storten, maar wetenschappers hebben nog geen embryonale sterren ontdekt die erin opduiken.

De bevindingen van het team hangen af ​​van een bedrieglijk eenvoudig molecuul genaamd ortho-benzyn. Op basis van experimenten op aarde en computersimulaties toonden de onderzoekers aan dat dit molecuul gemakkelijk kan worden gecombineerd met andere in de ruimte om een ​​breed scala aan grotere organische moleculen te vormen.

Kleine bouwstenen worden met andere woorden grote bouwstenen.

En, zei Bouwman, die reacties zouden een teken kunnen zijn dat stellaire kraamkamers veel interessanter zijn dan wetenschappers beweren.

"We staan ​​nog maar aan het begin om echt te begrijpen hoe we van deze kleine bouwstenen naar grotere moleculen gaan", zei hij. "Ik denk dat we zullen ontdekken dat deze chemie zoveel complexer is dan we dachten, zelfs in de vroegste stadia van stervorming."

Noodlottige observatie
Bouwman is kosmochemicus en bestudeert een gebied dat chemie en astronomie combineert om de kolkende chemische reacties te begrijpen die diep in de ruimte plaatsvinden.

Op het eerste gezicht, zei hij, lijken koude moleculaire wolken misschien niet op een broeinest van chemische activiteit. Zoals hun naam al doet vermoeden, hebben deze galactische oersoepen de neiging ijskoud te zijn, vaak rond de -263 graden Celsius (ongeveer -440 graden Fahrenheit), slechts 10 graden boven het absolute nulpunt. De meeste reacties hebben op zijn minst een klein beetje warmte nodig om op gang te komen.

Maar koud of niet, complexe chemie lijkt zich af te spelen in sterrenkweekkamers. Vooral TMC-1 bevat verrassende concentraties van relatief grote organische moleculen met namen als fulvenalleen en 1- en 2-ethynylcyclopentadieen. Scheikundigen noemen ze "vijfledige ringverbindingen" omdat ze elk een ring van koolstofatomen bevatten in de vorm van een vijfhoek.

"Onderzoekers bleven deze moleculen in TMC-1 detecteren, maar hun oorsprong was onduidelijk", zei Bouwman.

Nu denken hij en zijn collega's een antwoord te hebben.

In 2021 vonden onderzoekers die de Yebes 40-meter radiotelescoop in Spanje gebruikten een onverwacht molecuul verstopt in de gaswolken van TMC-1: ortho-benzyn. Bouwman legde uit dat dit kleine molecuul, bestaande uit een ring van zes koolstofatomen met vier waterstofatomen, een van de extraverte mensen in de chemiewereld is. Het interageert gemakkelijk met een aantal andere moleculen en er is niet veel warmte voor nodig.

"Er is geen belemmering voor reactie", zei Bouwman. "Dat betekent dat het de potentie heeft om complexe chemie aan te sturen in koude omgevingen."


Panorama van de Zwitserse lichtbron aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland. Onderzoekers gebruikten ultraviolet licht dat in deze synchotron-faciliteit werd gegenereerd om de producten te bestuderen van chemische reacties die kunnen optreden in stellaire kraamkamers. (Credit: CC-foto via Wikimedia Commons )

Het identificeren van de boosdoener
Om erachter te komen wat voor soort complexe chemie er in TMC-1 plaatsvond, wendden Bouwman en zijn collega's - afkomstig uit de Verenigde Staten, Duitsland, Nederland en Zwitserland - zich tot een techniek die 'foto-elektronen-foto-ion-coïncidentiespectroscopie' wordt genoemd. Het team gebruikte licht dat werd gegenereerd door een gigantische faciliteit, een synchotron-lichtbron genaamd, om de producten van chemische reacties te identificeren. Ze zagen dat orthobenzyn en methylradicalen, een ander veelvoorkomend bestanddeel van moleculaire wolken, zich gemakkelijk combineren om grotere en complexere organische verbindingen te vormen.

"We wisten dat we iets goeds op het spoor waren", zei Bouwman.

Het team maakte vervolgens gebruik van computermodellen om de rol van ortho-benzyne te onderzoeken in een stellaire kraamkamer verspreid over enkele lichtjaren diep in de ruimte. De resultaten waren veelbelovend: de modellen genereerden gaswolken die ongeveer dezelfde mix van organische moleculen bevatten die astronomen met telescopen in TMC-1 hadden waargenomen.

Met andere woorden, ortho-benzyne lijkt een uitstekende kandidaat te zijn voor het aansturen van de organische chemie in de gasfase die plaatsvindt in deze stellaire kraamkamers, zei Bouwman.

Hij voegde eraan toe dat wetenschappers nog veel werk te doen hebben om alle reacties in TMC-1 volledig te begrijpen. Hij wil bijvoorbeeld onderzoeken hoe organische moleculen in de ruimte ook stikstofatomen oppikken – belangrijke componenten van het DNA en de aminozuren van levende organismen op aarde.

"Onze bevindingen kunnen de kijk veranderen op welke ingrediënten we in de eerste plaats hebben om nieuwe sterren en nieuwe planeten te vormen," zei Bouwman.

Co-auteurs van het nieuwe artikel zijn onderzoekers van de Universiteit Leiden in Nederland, het Benedictine College in de VS, de Universiteit van Würzburg in Duitsland en het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland.

https://www.colorado.edu/today/2023/02/ ... -nurseries