La brume atmosphérique de Titan, La plus grande lune de Saturne (photographiée ici le long de la section médiane de Saturne), est capturé dans cette image en couleurs naturelles (encadré à gauche). Une nouvelle étude, qui impliquait des expériences à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, a fourni de nouveaux indices sur les étapes chimiques qui ont pu produire cette brume. Crédit :NASA Jet Propulsion Laboratory, Institut des sciences spatiales, Caltech
La plus grosse lune de Saturne, Titan, est unique parmi toutes les lunes de notre système solaire pour son atmosphère dense et riche en azote qui contient également des hydrocarbures et d'autres composés, et l'histoire derrière la formation de ce riche mélange chimique a été la source de certains débats scientifiques.
Maintenant, une collaboration de recherche impliquant des scientifiques de la division des sciences chimiques du laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie s'est concentrée sur un mécanisme chimique à basse température qui pourrait avoir entraîné la formation de molécules à anneaux multiples, les précurseurs de molécules plus complexes chimie maintenant trouvée dans la couche de brume brun-orange de la lune.
L'étude, co-dirigé par Ralf Kaiser à l'Université d'Hawaï à Manoa et publié dans l'édition du 8 octobre de la revue Astronomie de la nature , va à l'encontre des théories selon lesquelles des mécanismes de réaction à haute température sont nécessaires pour produire la composition chimique que les missions satellitaires ont observée dans l'atmosphère de Titan.
L'équipe comprenait également d'autres chercheurs du Berkeley Lab, l'Université d'Hawaï à Manoa, Université de Samara en Russie, et l'Université internationale de Floride. L'équipe a utilisé des expériences de lumière ultraviolette sous vide à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab, ainsi que des simulations informatiques et des travaux de modélisation pour démontrer les réactions chimiques qui contribuent à la chimie atmosphérique moderne de Titan.
"Nous fournissons ici des preuves d'une voie de réaction à basse température à laquelle les gens n'ont pas pensé, " a déclaré Musahid Ahmed, un scientifique de la division des sciences chimiques du Berkeley Lab et co-responsable de l'étude à l'ALS. "Cela donne lieu à un chaînon manquant dans la chimie de Titan."
Titan pourrait donner des indices sur le développement d'une chimie complexe sur d'autres lunes et planètes, y compris la Terre, il expliqua. "Les gens utilisent Titan pour penser à une Terre" pré-biotique "-lorsque l'azote était plus répandu dans l'atmosphère de la Terre primitive."
Benzène, un hydrocarbure simple avec une structure moléculaire à cycle unique à six carbones, a été détecté sur Titan et est considéré comme un élément constitutif de molécules d'hydrocarbures plus grosses avec des structures à deux et trois anneaux qui, à son tour, formé d'autres hydrocarbures et particules d'aérosol qui composent maintenant l'atmosphère de Titan. Ces molécules d'hydrocarbures à cycles multiples sont connues sous le nom d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP).
Ce graphique montre les calculs des surfaces d'énergie potentielle dans les processus de réaction chimique impliquant des radicaux naphtyle et des gaz vinylacétylène. La combinaison de ces gaz peut produire un certain nombre de composés, y compris les structures moléculaires à trois anneaux. Crédit :Long Zhao, Ralf I. Kaiser, et al., Astronomie de la nature , DOI :10.1038/s41550-018-0585-y
Dans la dernière étude, les chercheurs ont mélangé deux gaz - un HAP à deux cycles de courte durée connu sous le nom de radical naphtyle (C10H7) et un hydrocarbure appelé vinylacétylène (C4H4) - à l'ALS, et produit des HAP à trois anneaux dans le processus. Les deux produits chimiques utilisés pour conduire la réaction sont supposés exister sur Titan sur la base de ce que l'on sait de la composition chimique de son atmosphère.
Les expériences ALS ont projeté les produits finaux des réactions d'une petite chambre de réaction. Les chercheurs ont utilisé un détecteur connu sous le nom de spectromètre de masse à temps de vol à réflectron pour mesurer la masse des fragments moléculaires produits lors de la réaction des deux gaz. Ces mesures ont fourni des détails sur la chimie des HAP à trois cycles (phénanthrène et anthracène).
Alors que les expériences ALS utilisaient un réacteur chimique pour simuler la réaction chimique et un faisceau de lumière ultraviolette sous vide pour détecter les produits de la réaction, les calculs et les simulations à l'appui ont montré comment les produits chimiques formés dans les expériences ALS ne nécessitent pas de températures élevées.
Les HAP comme les produits chimiques étudiés à l'ALS ont des propriétés qui les rendent particulièrement difficiles à identifier dans l'espace lointain, dit Kaiser. "En réalité, Pas un seul, des HAP individuels ont été détectés dans la phase gazeuse du milieu interstellaire, " qui est la matière qui remplit l'espace entre les étoiles.
Il ajouta, « Notre étude démontre que les HAP sont plus répandus que prévu, car ils ne nécessitent pas les températures élevées qui sont présentes autour des étoiles de carbone. Ce mécanisme que nous avons exploré devrait être polyvalent et devrait conduire à la formation de HAP encore plus complexes. »
Et parce que les HAP sont considérés comme des précurseurs de la formation de nuages moléculaires - les soi-disant « usines moléculaires » de molécules organiques plus complexes qui peuvent inclure les précurseurs de la vie telle que nous la connaissons - cela pourrait ouvrir des théories et de nouveaux modèles sur la façon dont le carbone contenant matériaux dans l'espace lointain et dans les atmosphères riches des planètes et de leurs lunes dans notre système solaire évoluent et prennent naissance, " il a dit.
Alexandre M. Mebel, professeur de chimie à la Florida International University et co-responsable de l'étude, ont effectué des calculs qui ont montré comment les réactifs peuvent naturellement se réunir et former de nouveaux composés à très basse température.
Les scientifiques ont exploré la chimie à l'œuvre lors de la combinaison de deux gaz :l'un composé d'une structure moléculaire à deux anneaux connue sous le nom de radicaux naphtyle (en haut à gauche), et l'autre composé d'un hydrocarbure appelé vinylacétylène (en bas à gauche). Les sphères blanches représentent les atomes d'hydrogène et les sphères sombres représentent les atomes de carbone. Derrière ces représentations moléculaires en 3D se trouve une image de la lune Titan de Saturne, prises par le vaisseau spatial Cassini de la NASA. Crédit :Wikimedia Commons, Laboratoire de propulsion à réaction de la NASA, Caltech, Institut des sciences spatiales, Laboratoire de physique appliquée de l'Université John Hopkins, Université de l'Arizona
"Nos calculs ont révélé le mécanisme de réaction, " a déclaré Mebel. " Nous avons montré que vous n'avez besoin d'aucune énergie pour entraîner la réaction du naphtyle et du vinylacétylène, la réaction devrait donc être efficace même dans les conditions atmosphériques de basse température et de basse pression sur Titan."
Une clé de l'étude était la modélisation détaillée de la cellule du réacteur où les gaz étaient mélangés.
Mebel a noté que la modélisation des énergies et les simulations de la dynamique des flux de gaz en jeu dans le réacteur aident à surveiller la progression de la réaction à l'intérieur du réacteur, et a permis aux chercheurs de lier étroitement les résultats théoriques aux observations expérimentales.
Le travail de modelage, qui a aidé à prédire les produits chimiques produits dans les réactions basées sur les gaz initiaux et la température et la pression de la chambre chauffée où les gaz ont été mélangés et frappés avec le faisceau ultraviolet sous vide, a été dirigé par l'équipe de recherche de l'Université de Samara.
« Cette vérification du modèle, en le comparant à des expériences, can also be helpful in predicting how the reaction would proceed in different conditions—from Titan's atmosphere to combustion flames on Earth."
An aim of the continuing research, Kaiser said, is to unravel the details of how carbon-containing compounds with similar structures to DNA and RNA can develop even in extreme environments.
