Le milieu interstellaire et les systèmes de combustion contiennent des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) comme éléments constitutifs moléculaires fondamentaux qui forment des fullerènes et des nanostructures carbonées. Cependant, les chercheurs doivent encore étudier et comprendre les molécules aromatiques portant des cycles à cinq chaînons qui forment les éléments constitutifs essentiels des hydrocarbures aromatiques polycycliques non plans (HAP), qui conduisent finalement à la formation de grains interstellaires ou de poussière cosmique carbonée. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques , Srinivas Doddipatla et une équipe de scientifiques en chimie, la physique et l'astronomie aux États-Unis et en Russie ont exploré le concept avec des expériences de faisceaux moléculaires croisés, calculs de structure électronique et modélisation astrochimique. Le travail a révélé une voie inhabituelle pour former l'indène (C 9 H 8 ) - une molécule aromatique prototype avec un cycle à cinq chaînons. Le mécanisme était basé sur une réaction biomoléculaire sans barrière qui impliquait le radical organique le plus simple - méthylidyne (CH) et styrène (C 6 H 5 C 2 H 3 ) via un mécanisme d'addition-cyclisation-aromatisation de méthylidyne (MACA) jusqu'ici insaisissable. Le travail propose un nouveau concept sur la chimie à basse température du carbone trouvé dans la galaxie.

Chimie interstellaire

Dans ce travail, Doddipatla et al. a révélé la synthèse de molécules d'indène basée sur des réactions élémentaires entre le radical organique le plus simple méthylidyne avec des molécules de styrène dans des conditions de collision unique. Selon une hypothèse proposée par Léger et Puget en 1984, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) étaient supposés être constitués de cycles benzéniques fusionnés – pour former le chaînon manquant entre les petites molécules de carbone et les nanoparticules carbonées ou les grains interstellaires. Les HAP aux côtés de leurs hydrogénés, alkylé, les contreparties protonées et ionisées sont généralement associées à des bandes interstellaires diffuses (DIB) allant du visible au proche infrarouge et à la plage d'émission infrarouge non identifiée (UIR).

Les composés englobent environ 20 pour cent du bilan du carbone dans la galaxie, y compris les chondrites carbonées (météorites) telles que Murchison, Allende, et Orgueil pour plaider en faveur d'une origine circumstellaire des aromatiques dans les étoiles à branches géantes asymptotiques riches en carbone (AGB). Les HAP constituaient également des nébuleuses planétaires descendantes d'étoiles AGB basées sur des séquences d'abstraction d'hydrogène et d'addition de carbone (HACA). Une fois formé, cependant, les HAP interstellaires sont rapidement détruits par les rayons cosmiques galactiques, photolyse et ondes de choc avec des durées de vie de seulement 10 ⁸ années. Par conséquent, Les HAP ne devraient exister ni dans le milieu interstellaire ni dans les météorites et donc leur ubiquité présente un paradoxe en astrophysique. Cette incohérence peut être résolue en supposant l'existence d'une voie à basse température jusqu'ici insaisissable pour la croissance rapide des HAP dans le milieu interstellaire pour surmonter leur destruction. L'identification de telles voies à basse température aidera à démêler l'origine des HAP contenant des cycles à cinq chaînons tels que l'indène au plus fondamental, niveau microscopique.

L'équipe a combiné des expériences de diffusion réactive de faisceaux moléculaires croisés avec des calculs de structure électronique et des études astrochimiques pour comprendre la chimie inattendue de la phase gazeuse initiée par un seul événement de collision. De tels phénomènes fonctionnaient à des températures aussi basses que 10 K présentes dans les nuages ​​moléculaires tels que le nuage moléculaire Taurus (TMC-1) et le nuage moléculaire Orion. Le mécanisme d'addition-cyclisation-aromatisation (MACA) de méthylidyne jusqu'à présent inconnu exploré dans ce travail représentait une voie sans barrière pour former de l'indène dans les nuages ​​moléculaires via une chimie rapide en phase gazeuse. Les résultats ont contesté les paradigmes établis en suggérant que la basse température a initié la formation d'indène, les toutes premières molécules aromatiques du milieu interstellaire. Le squelette carboné de l'indène représentait également un élément moléculaire fondamental des HAP non planaires et pourrait conduire au fullerène interstellaire (C 60, C 70 ) formation.

Mécanismes de formation d'indène

Puisque les réactions élémentaires du radical méthylidyne et du styrène en phase gazeuse forment la molécule d'indène, l'équipe a combiné ces résultats avec des simulations et des statistiques pour proposer le mécanisme de réaction sous-jacent. Les calculs ont révélé comment le radical méthylidyne pouvait être ajouté sans barrière soit à la densité électronique de la double liaison carbone-carbone de la fraction vinyle (C 2 H 3 ) ou au noyau aromatique. Pendant l'addition de méthylidyne à la fraction vinyle, ils ont observé une série de réactions thermodynamiquement stables, suivi de réactions de cyclisation pour émettre de l'hydrogène atomique accompagné d'indène, dans une réaction exoergique globale. La réaction alternative d'addition de méthylidyne à la fraction benzène était comparativement plus complexe. Après avoir identifié six voies réactionnelles réalisables pour former les produits attendus, l'équipe a exploré la théorie de la cinétique chimique Rice-Ramsperger-Kassel-Marcus (RRKM) pour prédire la voie de réaction dominante pour former l'indène. Ils ont montré comment l'indène ne pouvait pas être formé par lui-même en l'absence d'atomes d'hydrogène provenant du réactif méthylidyne.

Modèles astrochimiques

En utilisant des modèles astrochimiques, Doddipatla et al. ensuite étudié comment ces résultats de laboratoire pourraient être transférés au milieu interstellaire. Les résultats expérimentaux ont fourni des critères essentiels pour que la réaction se produise dans des environnements à basse température tels que les nuages ​​moléculaires, où existent à la fois des réactifs méthylidyne et styrène. Par exemple, les radicaux méthylidyne peuvent être générés dans le champ photonique ultraviolet (UV) interne au plus profond des nuages ​​moléculaires. Les scientifiques ont donc réalisé des simulations astrochimiques du nuage moléculaire froid Taurus (TMC-1) à l'aide du code Nautilus V1.1, pour explorer l'efficacité du mécanisme MACA lors de la formation d'indène dans le milieu interstellaire. Les résultats ont montré que si la détection astronomique de l'indène dans TMC-1 était difficile, il était techniquement possible de mener les expériences avec une résolution spectrale et une sensibilité élevées en utilisant le télescope Robert C. Byrd Green Bank (GBT) ou le grand réseau millimétrique/submillimétrique d'Atacama (ALMA).

De cette façon, Srinivas Doddipatla et ses collègues ont combiné des faisceaux moléculaires croisés, structure électronique et modélisation astrochimique pour révéler la formation potentielle d'indène à travers chaud, étoiles riches en carbone et nébuleuses planétaires, ainsi que dans les nuages ​​moléculaires froids. Le mécanisme impliquait un simple réaction sans barrière basée sur le radical organique le plus simple méthylidyne avec le styrène. Le travail a représenté une étape importante pour comprendre les processus chimiques fondamentaux formant l'indène et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) non planaires dans des environnements à basse température dans l'espace lointain. Compte tenu du rôle crucial que jouent les HAP non planaires dans la formation de particules de poussières cosmiques carbonées communément appelées grains interstellaires au cours de l'évolution chimique de l'univers, comprendre les étapes élémentaires menant à la formation de particules de poussière cosmique améliorera la conscience astrochimique de notre galaxie.

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