Les astronomes de l'Institut Max Planck d'astronomie et de l'Université d'Iéna ont obtenu une vision plus claire des minuscules laboratoires de l'espace lointain de la nature :de minuscules grains de poussière recouverts de glace. Au lieu de formes régulières recouvertes d'une épaisse couche de glace, ces grains semblent être des réseaux pelucheux de poussière, avec de fines couches de glace. En particulier, cela signifie que les grains de poussière ont des surfaces considérablement plus grandes, c'est là que se déroulent la plupart des réactions chimiques. D'où, la nouvelle structure a des conséquences fondamentales pour la vision des astronomes de la chimie organique dans l'espace, et donc pour la genèse de molécules prébiotiques qui auraient pu jouer un rôle important dans l'origine de la vie sur Terre.

Créer des molécules complexes dans l'espace lointain est tout sauf facile. Au meilleur des connaissances actuelles, les laboratoires naturels dans lesquels se déroulent les réactions nécessaires sont des grains de poussière interstellaires aux surfaces glacées. Maintenant, les nouveaux résultats expérimentaux d'Alexey Potapov du groupe d'astrophysique du laboratoire MPIA de l'université d'Iéna et de ses collègues démontrent que, dans des conditions réalistes, les couches de glace peuvent très bien être si minces que la structure de surface des grains de poussière eux-mêmes joue un rôle important.

Cela ouvre un nouveau champ d'étude :ceux qui s'intéressent aux origines cosmiques des molécules précurseurs organiques de la vie devront examiner de plus près les différentes propriétés des surfaces des grains de poussière cosmiques, leurs interactions avec de petites quantités de glace, et au rôle que jouent les environnements complexes résultants en aidant à synthétiser des molécules organiques complexes.

Quand nous pensons à la façon dont la vie, et comment nous-mêmes, sont venus pour être dans cet univers, il y a plusieurs étapes importantes, englobant la physique, chimie, et la biologie. Pour autant que nous sachions, la première histoire de la biologie de nos propres origines a eu lieu ici sur Terre, mais il n'en va de même ni pour la physique ni pour la chimie :la plupart des éléments chimiques, y compris le carbone et l'azote, ont été créés par fusion nucléaire à l'intérieur des étoiles ("Nous sommes des trucs d'étoiles, " comme l'a si bien dit Carl Sagan).

Molécules, comprenant les molécules organiques nécessaires à la formation des acides aminés, ou notre propre ADN, peut se former dans le milieu interstellaire. Dans les rares occasions où des sondes ont réussi à analyser directement la poussière cosmique, à savoir les missions Stardust et Rosetta, l'analyse a trouvé des molécules complexes, tels que l'acide aminé simple glycine. Au cours de l'évolution d'un système planétaire, les molécules organiques peuvent être transportées vers les surfaces planétaires par les météorites et les premières comètes.

Comment ces molécules peuvent se former en premier lieu, dans les étendues presque vides entre les étoiles, n'est pas du tout une question simple. Dans l'espace, la plupart des atomes et molécules font partie d'un gaz ultra-mince, avec pratiquement aucune interaction, sans parler des interactions nécessaires pour construire des molécules organiques plus complexes.

Dans les années 1960, les astronomes intéressés par la chimie interstellaire ont commencé à développer l'idée que les grains de poussière interstellaire pourraient servir de "laboratoires interstellaires, " ce qui faciliterait des réactions chimiques plus complexes. De tels grains, qu'elles soient carbonées ou silicatées, se forment généralement dans les couches externes des étoiles froides ou à la suite d'explosions de supernova. Dans un nuage de gaz et de poussière, différents types de molécules colleraient au grain (froid), les molécules s'accumuleraient, et éventuellement, des réactions chimiques intéressantes auraient lieu. Spécifiquement, il en faudrait de l'ordre de 100, 000 ans pour qu'un grain de poussière accumule un manteau de glace (principalement de la glace d'eau, mais aussi quelques autres molécules comme le monoxyde de carbone). Cette couche glacée servirait alors de petit laboratoire de chimie cosmique.

Les astronomes intéressés par ce sujet se sont vite rendu compte qu'ils avaient besoin d'expériences pour interpréter leurs observations de nuages ​​de gaz interstellaires. Ils auraient besoin d'étudier les grains de poussière recouverts de glace et leur interaction avec les molécules dans des laboratoires ici sur Terre. À cette fin, ils utiliseraient des chambres à vide, simuler le vide de l'espace, ainsi que des températures appropriées. Puisque l'hypothèse à l'époque était que ce qui comptait était la chimie sur la surface glacée, il est devenu pratique courante d'utiliser des couches de glace pour de telles expériences, appliqué sur une surface ordinaire telle qu'une plaque de cristal de bromure de potassium (KBr) ou une surface métallique. Mais ça, les nouveaux résultats montrent, ne peut être qu'une partie de l'image, au mieux.

Formation de la planète, ainsi que la recherche des origines de la vie, sont des objectifs de recherche clés pour le Max Planck Institute for Astronomy (MPIA), et les grains de poussière glacée jouent un rôle important pour les deux. C'est pourquoi, depuis 2003, MPIA a maintenu un groupe d'astrophysique de laboratoire et de physique des clusters à l'Institut de physique des solides de l'Université Friedrich Schiller, Iéna.

Une partie de l'équipement du groupe est constituée de lasers qui peuvent être utilisés pour créer des grains de poussière cosmiques artificiels. À cette fin, un laser est pointé sur un échantillon de graphite, éroder (éliminer) de minuscules particules de la surface, de simples nanomètres de diamètre (où un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre). Quand Alexey Potapov du groupe d'astrophysique du laboratoire d'Iéna, l'auteur principal du nouveau document, et ses collègues ont étudié de tels grains de poussière artificiels, induisant différentes sortes de glace à se former à leur surface, ils ont commencé à avoir des doutes sur l'image standard de la chimie sur des surfaces glacées épaisses.

Au lieu de grains complètement recouverts de plusieurs couches de glace solide (glace d'eau, ou glace au monoxyde de carbone) comme un oignon, les grains de poussière qu'ils ont produits en laboratoire, rester au plus près des conditions réalistes de l'espace lointain, ont été prolongés, des formes à plusieurs vrilles — des réseaux duveteux de poussière et de glace.

Avec cette forme, leur surface totale est beaucoup plus grande (un facteur de quelques centaines) que pour des formes plus simples, et cela change la donne pour les calculs de la façon dont la quantité d'eau détectée dans les nuages ​​moléculaires couvrirait certains grains :à partir de grains de faible surface, ainsi entièrement recouvert par l'eau disponible, on arrive plutôt à une surface plus étendue qui aura des couches plus épaisses à certains endroits, tandis qu'à d'autres endroits, il n'y a pas plus d'une seule couche de cristaux de glace, simplement parce qu'il n'y a pas assez d'eau pour couvrir toute la surface extrêmement étendue de plusieurs couches de glace.

Cette structure a des conséquences profondes sur le rôle des grains de poussière glacée en tant que minuscules laboratoires cosmiques. Les réactions chimiques dépendent de molécules qui se sont collées à la surface, et sur la façon dont ces molécules peuvent se déplacer (se dissiper), rencontrer d'autres molécules, réagir, se coincer, ou décollé à nouveau. Ces conditions environnementales sont complètement différentes dans le nouveau, duveteux, version poussiéreuse des laboratoires cosmiques.

Potapov dit, « Maintenant que nous savons que les grains de poussière sont importants, un nouveau joueur est entré dans le jeu astrochimique. Connaître le nouvel acteur nous donne une meilleure chance de comprendre les réactions chimiques fondamentales qui, à un stade ultérieur, aurait pu conduire à l'émergence de la vie dans l'univers."

Aussi, si les grains ne sont pas cachés sous d'épaisses couches de glace, mais peut interagir avec les molécules adhérant à la surface, ils peuvent jouer le rôle de catalyseurs, modifier la vitesse des réactions chimiques par leur simple présence. Soudainement, certaines réactions pour la formation de molécules organiques comme le formaldéhyde, ou certains composés ammoniacaux, devrait devenir beaucoup plus fréquent. Les deux sont d'importants précurseurs de molécules prébiotiques. Ce changement d'orientation aurait donc un effet direct sur nos explications de la préhistoire chimique de la vie sur Terre.

Le co-auteur et directeur de la MPIA, Thomas Henning, déclare :"Ce sont de nouvelles directions passionnantes dans la recherche de la formation de molécules complexes dans l'espace. Pour suivre, MPIA vient d'ouvrir son nouveau laboratoire "Origines de Vie", qui est adapté à ce nouveau type de recherche.

Plus généralement, les nouveaux résultats, avec un certain nombre de résultats similaires obtenus dans des expériences précédentes, constituent un signal d'alarme pour la communauté de l'astrochimie :Si vous voulez comprendre l'astrochimie dans le milieu interstellaire, et ses conséquences sur les origines de la vie, éloignez-vous des oignons glacés. Acceptez le rôle des surfaces poussiéreuses. Embrassez le moelleux possible des minuscules laboratoires cosmiques de la nature.