Laboratoryjny pył kosmiczny może pomóc naukowcom odczytać warunki, w których powstawała materia organiczna obecna później w asteroidach, kometach i meteorytach. Badacze z Uniwersytetu w Sydney wytworzyli w plazmie węglowy materiał zawierający węgiel, wodór, tlen i azot, a następnie sprawdzili, jak bombardowanie jonami oraz wysoka temperatura zmieniają jego widmo w podczerwieni. Eksperyment nie wyjaśnia pochodzenia życia, ale dostarcza narzędzia do badania wcześniejszego etapu tej historii.
Pył kosmiczny powstał w szklanej komorze
Linda R. Losurdo i David R. McKenzie z Uniwersytetu w Sydney wykorzystali reaktor plazmowy z wyładowaniem barierowym. W komorze o obniżonym ciśnieniu umieścili mieszaninę azotu, dwutlenku węgla i acetylenu. Gazy dostarczały czterech pierwiastków określanych skrótem CHON: węgla, wodoru, tlenu i azotu.
Badacze poddawali mieszaninę impulsom o napięciu około 10 kilowoltów. Łączny czas osadzania materiału wynosił 60 minut, z przerwami umożliwiającymi schłodzenie układu. Energia plazmy rozbijała początkowe związki i uruchamiała reakcje prowadzące do powstawania większych struktur. Materiał gromadził się na krzemowych płytkach w postaci cienkich warstw i cząstek przypominających węglowy pył spotykany w środowiskach kosmicznych.
Nie był to jednak prawdziwy pył pobrany z przestrzeni ani dokładna kopia konkretnej próbki meteorytu. Autorzy nazywają materiał laboratoryjnym analogiem, czyli substancją odtwarzającą wybrane właściwości badanego obiektu. Taki model pozwala kontrolować warunki eksperymentu w sposób niemożliwy podczas obserwowania odległych obłoków materii.
Widmo podczerwone działa jak chemiczny odcisk palca
Najważniejszym celem pracy nie było samo wyprodukowanie pyłu. Podobne analogi powstawały już wcześniej różnymi metodami. Zespół próbował ustalić, czy na podstawie widma materiału można rozróżnić skutki dwóch procesów: bombardowania jonami podczas powstawania pyłu oraz późniejszego ogrzewania.
Cząsteczki pochłaniają promieniowanie podczerwone przy określonych długościach fal, zależnie od występujących w nich wiązań chemicznych. Powstający wzór można traktować jak odcisk palca materiału. Astronomowie wykorzystują takie widma do badania składu pyłu otaczającego gwiazdy, występującego w ośrodku międzygwiazdowym oraz zachowanego w małych ciałach Układu Słonecznego.
Autorzy zastosowali analizę głównych składowych, w skrócie PCA. Jest to metoda statystyczna, która pomaga odnaleźć najważniejsze źródła różnic w dużym zestawie danych. W tym przypadku pozwoliła oddzielić zmiany widma związane z intensywnością bombardowania jonami od zmian wywołanych wygrzewaniem próbek.
Jony i temperatura pozostawiają inne ślady
Próbki zbierano w trzech odległościach od katody, co odpowiadało różnym poziomom bombardowania jonami. Część materiału po zakończeniu syntezy ogrzewano przez godzinę w próżni w temperaturach od 400 do 550 stopni Celsjusza.
Z analizy wynika, że silniejsze bombardowanie jonami sprzyjało lokalnym, nieuporządkowanym zmianom struktury oraz występowaniu określonych grup zawierających azot. Ogrzewanie prowadziło natomiast do bardziej rozległej reorganizacji materiału w stronę struktur grafitowych. Wraz ze wzrostem temperatury próbki stawały się pod tym względem bardziej podobne do siebie.
Ta różnica ma znaczenie, ponieważ podobne widmo nie zawsze musi oznaczać identyczną historię materiału. Pył może zmieniać się zarówno podczas powstawania w zjonizowanym gazie, jak i później pod wpływem ciepła. Rozpoznanie śladów obu procesów mogłoby ułatwić odtwarzanie warunków, przez które przechodziła materia organiczna.
Co badanie mówi o składnikach potrzebnych życiu
Wytworzony materiał zawierał sieć organiczną zbudowaną z pierwiastków CHON. Pierwiastki te występują w wielu związkach ważnych dla znanej nam biologii, ale sama ich obecność nie oznacza powstania życia ani nawet gotowego zestawu jego bezpośrednich prekursorów.
Znaczenie eksperymentu leży krok wcześniej. Pokazuje on, jak z prostych gazów w warunkach plazmowych mogą tworzyć się złożone, węglowe struktury oraz jak ich budowa zmienia się pod wpływem energii. Podobne procesy mogą zachodzić w otoczeniu starych gwiazd, w obszarach narodzin gwiazd i w ośrodku międzygwiazdowym.
Część takiej materii trafia później do komet, asteroid i meteorytów. Nie rozstrzyga to, czy związki dostarczone z kosmosu zapoczątkowały życie na Ziemi. Wzmacnia natomiast możliwość badania chemicznej historii materiału, który mógł uczestniczyć w procesach poprzedzających pojawienie się życia.
Metoda nie jest jeszcze kosmicznym czytnikiem historii
Autorzy chcieliby w przyszłości porównywać laboratoryjne widma z materią pochodzącą między innymi z meteorytów oraz asteroid Ryugu i Bennu. W dalszej perspektywie podobne metody mogłyby wspierać interpretację obserwacji pyłu w odległych galaktykach.
Na obecnym etapie istnieje jednak istotne ograniczenie. Model może wiarygodnie klasyfikować nieznaną próbkę tylko wtedy, gdy jej skład i warunki powstania mieszczą się w zakresie danych użytych do przygotowania analizy. Obecny zestaw obejmuje ograniczoną mieszaninę gazów, trzy poziomy bombardowania oraz kilka temperatur wygrzewania. Sami autorzy wskazują, że bazę laboratoryjną trzeba rozszerzyć o więcej składów i warunków.
Badanie opublikowane w „The Astrophysical Journal” proponuje więc metodę rozdzielania wpływu jonów i temperatury na węglowy pył kosmiczny. Nie jest dowodem na odnalezienie drogi prowadzącej do życia, lecz próbą zbudowania słownika, dzięki któremu widma materii pozaziemskiej mogą opowiedzieć więcej o jej przeszłości.
