Deux astronomes de l'Institut Max Planck d'astronomie et de l'Université d'Iéna ont trouvé une nouvelle méthode élégante pour mesurer l'énergie de réactions chimiques simples, dans des conditions similaires à celles rencontrées par les atomes et les molécules du système solaire primitif. Leur méthode promet des mesures précises des énergies de réaction qui peuvent être utilisées pour comprendre les réactions chimiques dans des conditions spatiales - y compris les réactions qui étaient responsables de la création de produits chimiques organiques comme matière première pour le développement de la vie.

Pour que la vie se forme, la nature avait besoin de beaucoup de matières premières sous la forme de molécules organiques complexes. Certaines de ces molécules se sont probablement formées bien avant, dans l'espace, lors de la naissance du système solaire. Etudes systématiques des réactions chimiques nécessaires, qui se déroulent sur les surfaces escarpées et alambiquées des grains de poussière, étaient et sont entravés par le manque de données. Quelles réactions élémentaires, impliquant quels réactifs individuels sont possibles? Quelle température est nécessaire pour qu'une réaction ait lieu ? Quelles molécules sont produites dans ces réactions ? Maintenant, Thomas Henning, directeur à l'Institut Max Planck d'Astronomie (MPIA), et Sergiy Krasnokutskiy du groupe d'astrophysique du laboratoire MPIA à l'Université d'Iéna ont développé une méthode élégante pour étudier de telles réactions élémentaires de surface - en utilisant de minuscules gouttelettes d'hélium liquide.

Au début du système solaire, bien avant la formation de la Terre, réaction chimique complexe a eu lieu, créant des quantités substantielles de molécules organiques. Le laboratoire cosmique pour ces travaux de synthèse chimique était fourni par des grains de poussière - des amas composés principalement de silicates et de carbone, recouvert d'un manteau de glace, avec des vrilles et des ramifications compliquées et délicates, et sur cette base avec une propriété cruciale :une surface relativement grande sur laquelle des réactions chimiques pourraient avoir lieu. Dans les millions d'années qui suivent, beaucoup de ces grains de poussière se regrouperaient pour former des structures toujours plus grandes, jusqu'à ce que finalement, des planètes solides ont émergé, en orbite autour du jeune Soleil.

Créer les ingrédients bruts de la vie

Alors que tous les composés organiques synthétisés à la surface des grains seraient détruits par la chaleur inévitable lors de la formation des planètes, certaines molécules sont restées en attente, encapsulé dans, ou accroché à la surface de, petits grains ou morceaux de roche, ainsi que dans les corps glacés des comètes. Par un récit de l'histoire de la vie, une fois que la surface de la Terre s'est suffisamment refroidie pour que de l'eau liquide se forme, c'était ces grains et ces roches, frapper la surface de la Terre sous la forme de météorites, certains d'entre eux atterrissent au chaud, petit, étangs, qui a fourni la base chimique pour la formation de la vie sur notre planète natale.

Afin de comprendre les premières expériences chimiques naturelles dans notre univers, nous avons besoin de connaître les propriétés des différentes réactions. Par exemple, certaines réactions ont-elles besoin d'une énergie d'activation spécifique pour se produire ? Quel est le produit final d'une réaction donnée ? Ces paramètres déterminent quelles réactions peuvent se produire dans quelles conditions au début du système solaire, et ils sont essentiels à toute reconstruction réaliste de la chimie des premiers systèmes solaires.

Des données rares sur les réactions de surface à basse température

Pourtant, les données précises sur ces réactions sont étonnamment rares. Au lieu, une part importante de la recherche chimique est consacrée à l'étude de telles réactions en phase gazeuse, avec les atomes et les molécules flottant librement, collision, et former des composés. Mais les réactions chimiques cruciales dans l'espace nécessaires à la formation de molécules organiques plus grosses ont lieu dans des conditions très différentes – à la surface des grains de poussière. Cela change même la physique de base de la situation :lorsqu'une nouvelle molécule est formée, l'énergie de la formation de liaison chimique est stockée dans la molécule nouvellement créée. Si cette énergie n'est pas transmise à l'environnement, la nouvelle molécule sera rapidement détruite. Cela empêche la formation de nombreuses espèces en phase gazeuse. Sur une surface, ou dans un milieu, où l'énergie peut être facilement absorbée par la matière supplémentaire présente, les conditions de certains types de réactions construisant des molécules complexes, pas à pas, sont beaucoup plus favorables.

Henning et Krasnokutskiy ont développé une méthode élégante pour mesurer l'énergétique de telles réactions. Leurs maquettes de laboratoires cosmiques sont des gouttelettes d'hélium miniatures, de quelques nanomètres, dérive dans un vide poussé. Les réactifs, c'est-à-dire les atomes ou molécules destinés à participer à la réaction - sont amenés dans la chambre à vide sous forme de gaz, mais en quantités si infimes que les gouttelettes d'hélium sont extrêmement susceptibles de capter soit une seule molécule de chaque espèce requise, soit aucune, Mais pas plus. Les gouttelettes d'hélium agissent comme un milieu qui, semblable à la surface d'un grain de poussière, peut absorber l'énergie de réaction, permettant aux réactions de se produire dans des conditions similaires à celles du système solaire primitif. Cela reproduit une caractéristique clé de la chimie de surface pertinente (bien que d'autres propriétés, telles que les propriétés catalytiques d'une surface de poussière spécifique, ne sont pas modélisés).

Les nanogouttes comme appareils de mesure

Par ailleurs, les deux astronomes ont utilisé les nanogouttes d'hélium comme appareils de mesure d'énergie (calorimètres). Lorsque l'énergie de réaction est libérée dans la goutte, certains des atomes d'hélium s'évaporent de façon prévisible. La goutte restante est maintenant plus petite qu'avant - une différence de taille qui peut être mesurée en utilisant deux méthodes alternatives :un faisceau d'électrons (une goutte plus grosse est plus facile à frapper qu'une plus petite !) ou une mesure précise de la pression dans la chambre à vide créé par les gouttelettes d'hélium frappant le mur, où les gouttelettes plus grosses produisent une plus grande pression. En calibrant leur méthode à partir de réactions préalablement étudiées en détail, et dont les propriétés sont bien connues, les deux astronomes ont pu augmenter considérablement la précision de la méthode. En tout, la nouvelle méthode fournit une nouvelle façon élégante d'étudier la voie de formation de molécules organiques complexes dans l'espace. Cela devrait permettre aux chercheurs d'être plus précis sur les matières premières avec lesquelles la nature a dû travailler dans la perspective de l'émergence de la vie sur Terre. Mais il y a plus :

Les premières mesures utilisant la nouvelle technique confirment une tendance déjà visible dans d'autres expérimentations récentes :Sur les surfaces, à basse température, les atomes de carbone sont étonnamment réactifs. Les chercheurs ont découvert un nombre étonnamment élevé - près d'une douzaine - de réactions impliquant des atomes de carbone sans barrière, C'est, qui ne nécessitent pas d'apport d'énergie supplémentaire pour continuer, et peut donc se produire à des températures très basses. Évidemment, la condensation du gaz atomique à basse température ne peut que conduire à la formation d'une grande variété de molécules organiques. Mais cette grande variété possible signifie également que les molécules de chaque espèce spécifique seront très rares.

Cette, à son tour, suggère que les astronomes pourraient sous-estimer considérablement la quantité de molécules organiques dans l'espace. Lorsqu'il s'agit d'estimer les abondances, les observations astronomiques examinent les signatures de traces (lignes spectrales) de chaque espèce moléculaire séparément. S'il existe de nombreuses espèces différentes de molécules organiques, chaque espèce distincte peut "voler sous le radar". Ses molécules pourraient n'être présentes qu'en quantités trop infimes pour que les astronomes puissent les détecter, et en plus, même les signatures révélatrices des molécules (plus généralement celles de groupes fonctionnels spécifiques communs à différents types de molécules) pourraient être légèrement altérées, faire en sorte que la molécule échappe à la détection. Mais additionné, il est possible que toutes ces espèces distinctes de molécules constituent ensemble une quantité substantielle de matière dans l'espace extra-atmosphérique - un monde extra-atmosphérique caché de la chimie organique.