Een promovendus in Sydney heeft iets voor elkaar gekregen wat klinkt als een heel uitgebreid scheikundeproject voor thuis: kosmisch stof helemaal zelf maken door een klein stukje van het heelal in een laboratoriumfles na te bootsen. Het experiment biedt nieuwe aanwijzingen over hoe sommige chemische ingrediënten die met leven worden geassocieerd, zich konden ontwikkelen nog voordat de aarde bestond.
Linda Losurdo, promovendus in materiaal- en plasmafysica aan de Universiteit van Sydney, combineerde stikstof, koolstofdioxide en acetyleen om de energetische omstandigheden nabij sterren en supernovaresten na te bootsen. Vervolgens stelde ze de gassen bloot aan een krachtige elektrische lading. Het proces creëerde koolstofrijk stof dat lijkt op materiaal dat door de interstellaire ruimte zweeft en bewaard blijft in kometen, asteroïden en meteorieten. De resultaten zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal van de American Astronomical Society.
Het laboratoriumstof bevat complexe combinaties van koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof – gezamenlijk bekend als CHON-moleculen – die in veel organische stoffen voorkomen die belangrijk worden geacht voor leven. "We hoeven niet langer te wachten tot een asteroïde of komeet naar de aarde komt om hun geschiedenis te begrijpen," zei mevrouw Losurdo. "Je kunt analoge omgevingen in het laboratorium bouwen en hun structuur reverse-engineeren met behulp van infraroodvingerafdrukken." Ze voegde eraan toe: "Het is alsof we een klein beetje van het heelal in een fles in ons lab hebben nagebootst."
In de ruimte ontstaat kosmisch stof onder extreme omstandigheden, waarbij moleculen herhaaldelijk worden getroffen door ionen en elektronen, wat chemische reacties op gang brengt die steeds complexere materialen creëren. Astronomen identificeren verschillende soorten kosmisch stof door het infraroodlicht dat ze uitstralen te bestuderen – moleculaire vingerafdrukken die de chemische structuur onthullen. Losurdo's laboratoriummonsters produceerden dezelfde kenmerkende infraroodsignaturen als in de ruimte worden gezien, wat aangeeft dat het experiment echte kosmische processen nauwkeurig nabootst.
Hoe het leven op aarde begon, blijft een van de grootste onbeantwoorde vragen in de wetenschap. Onderzoekers onderzoeken of de eerste organische moleculen op de jonge planeet zijn gevormd, op kometen en meteorieten zijn aangekomen, zijn afgeleverd terwijl het zonnestelsel nog vorm kreeg, of het resultaat zijn van een combinatie. Van ongeveer 4,56 miljard tot 3,5 miljard jaar geleden troffen meteorieten, micrometeorieten en interplanetaire stofdeeltjes herhaaldelijk de aarde, met enorme hoeveelheden organisch materiaal. Waar dat materiaal oorspronkelijk is gevormd en welke processen het hebben gecreëerd, is echter nog onzeker.
"Covalent gebonden koolstof en waterstof in komeet- en asteroïdemateriaal zouden zijn gevormd in de buitenste omhulsels van sterren, in hoogenergetische gebeurtenissen zoals supernova's, en in interstellaire omgevingen," zei mevrouw Losurdo. "Wat we proberen te begrijpen, zijn de specifieke chemische routes en omstandigheden die alle CHON-elementen integreren in de complexe organische structuren die we zien in kosmisch stof en meteorieten."
Losurdo voerde het experiment uit met haar supervisor, professor David McKenzie. Ze gebruikten eerst een vacuümpomp om lucht uit glazen buizen te verwijderen, waardoor een bijna-lege ruimte ontstond. Vervolgens vulden ze de buizen met stikstof, koolstofdioxide en acetyleen. Gedurende ongeveer een uur werd het gasmengsel blootgesteld aan een elektrische potentiaal van ongeveer 10.000 volt, waardoor een glimontladingsplasma ontstond. De intense energie splitste de oorspronkelijke moleculen, en hun componenten combineerden tot grotere, complexere chemische structuren. Het nieuw gevormde materiaal nestelde zich op siliciumchips in de buizen en liet een dunne laag stof achter – in sommige monsters leek het op sprankelende fragmenten van kosmisch materiaal.
McKenzie zei dat het produceren van dit stof op aarde wetenschappers toegang geeft tot omstandigheden die niet gemakkelijk direct in de ruimte kunnen worden onderzocht. "Door kosmisch stof in het lab te maken, kunnen we de intensiteit van ioneninslagen en temperaturen onderzoeken die betrokken zijn bij de vorming van stof in de ruimte," zei hij. "Dat is belangrijk als je de omgevingen in kosmische stofwolken wilt begrijpen, waar"