Les preuves suggèrent que des nanotubes de carbone, de minuscules tubes constitués de carbone pur, pourraient être forgés dans les enveloppes de poussière et de gaz entourant les étoiles mourantes. Les résultats proposent un mécanisme simple mais élégant pour la formation et la survie de molécules de carbone complexes dans l'espace.

Au milieu des années 1980, la découverte de molécules de carbone complexes dérivant à travers le milieu interstellaire a suscité une attention considérable, les exemples les plus célèbres étant peut-être le Buckminsterfullerène, ou "buckyballs" - des sphères composées de 60 ou 70 atomes de carbone. Cependant, les scientifiques ont du mal à comprendre comment ces molécules peuvent se former dans l'espace.

Dans un article accepté pour publication dans le Journal of Physical Chemistry A , des chercheurs de l'Université de l'Arizona suggèrent une explication étonnamment simple. Après avoir exposé le carbure de silicium - un ingrédient commun des grains de poussière dans les nébuleuses planétaires - à des conditions similaires à celles trouvées autour des étoiles mourantes, les chercheurs ont observé la formation spontanée de nanotubes de carbone, qui sont des molécules en forme de tige hautement structurées constituées de plusieurs couches de feuilles de carbone. . Les résultats ont été présentés le 16 juin lors de la 240e réunion de l'American Astronomical Society à Pasadena, en Californie.

Dirigé par le chercheur d'UArizona Jacob Bernal, le travail s'appuie sur des recherches publiées en 2019, lorsque le groupe a montré qu'il pouvait créer des buckyballs en utilisant la même configuration expérimentale. Les travaux suggèrent que des buckyballs et des nanotubes de carbone pourraient se former lorsque la poussière de carbure de silicium produite par les étoiles mourantes est frappée par des températures élevées, des ondes de choc et des particules à haute énergie, lixiviant le silicium de la surface et laissant du carbone derrière.

Les résultats soutiennent l'idée que les étoiles mourantes pourraient ensemencer le milieu interstellaire avec des nanotubes et éventuellement d'autres molécules de carbone complexes. Les résultats ont des implications pour l'astrobiologie, car ils fournissent un mécanisme de concentration du carbone qui pourrait ensuite être transporté vers les systèmes planétaires.

"Nous savons, grâce aux observations infrarouges, que les buckyballs peuplent le milieu interstellaire", a déclaré Bernal, chercheur postdoctoral au UArizona Lunar and Planetary Laboratory. "Le gros problème a été d'expliquer comment ces molécules de carbone massives et complexes pourraient éventuellement se former dans un environnement saturé d'hydrogène, ce qui est généralement le cas autour d'une étoile mourante."

La formation de molécules riches en carbone, sans parler des espèces contenant uniquement du carbone, en présence d'hydrogène est pratiquement impossible en raison des lois thermodynamiques. Les nouvelles découvertes de l'étude offrent un scénario alternatif :au lieu d'assembler des atomes de carbone individuels, les buckyballs et les nanotubes pourraient résulter d'un simple réarrangement de la structure du graphène, des feuilles de carbone monocouche connues pour se former à la surface des grains de carbure de silicium chauffés.

C'est exactement ce que Bernal et ses co-auteurs ont observé lorsqu'ils ont chauffé des échantillons de carbure de silicium disponibles dans le commerce à des températures se produisant dans des étoiles mourantes ou mortes et les ont imagés. Alors que la température approchait 1 050 degrés Celsius, de petites structures hémisphériques d'une taille approximative d'environ 1 nanomètre ont été observées à la surface du grain. En quelques minutes de chauffage continu, les bourgeons sphériques ont commencé à se développer en structures en forme de bâtonnets, contenant plusieurs couches de graphène avec une courbure et des dimensions indiquant une forme tubulaire. Les nanotubules résultants variaient d'environ 3 à 4 nanomètres de longueur et de largeur, plus grands que les buckyballs. Les plus grands spécimens imagés étaient composés de plus de quatre couches de carbone graphitique. Au cours de l'expérience de chauffage, on a observé que les tubes se tortillaient avant de se détacher de la surface et d'être aspirés dans le vide entourant l'échantillon.

"Nous avons été surpris de pouvoir fabriquer ces structures extraordinaires", a déclaré Bernal. "Chimiquement, nos nanotubes sont très simples, mais ils sont extrêmement beaux."

Nommés d'après leur ressemblance avec les œuvres architecturales de Richard Buckminster Fuller, les fullerènes sont les plus grosses molécules actuellement connues dans l'espace interstellaire, qui pendant des décennies a été considéré comme dépourvu de toute molécule contenant plus de quelques atomes, 10 au plus. Il est maintenant bien établi que les fullerènes C60 et C70, qui contiennent respectivement 60 ou 70 atomes de carbone, sont des ingrédients communs du milieu interstellaire.

L'un des premiers du genre au monde, le microscope électronique à transmission hébergé à l'installation d'imagerie et de caractérisation des matériaux de Kuiper à UArizona est particulièrement adapté pour simuler l'environnement de la nébuleuse planétaire. Son faisceau d'électrons de 200 000 volts peut sonder la matière jusqu'à 78 picomètres - la distance de deux atomes d'hydrogène dans une molécule d'eau - permettant de voir des atomes individuels. L'instrument fonctionne dans un vide ressemblant étroitement à la pression (ou à son absence) supposée exister dans les environnements circumstellaires.

Alors qu'une molécule sphérique de C60 mesure 0,7 nanomètre de diamètre, les structures de nanotubes formées dans cette expérience mesuraient plusieurs fois la taille de C60, dépassant facilement 1 000 atomes de carbone. Les auteurs de l'étude sont convaincus que leurs expériences reproduisent avec précision les conditions de température et de densité auxquelles on pourrait s'attendre dans une nébuleuse planétaire, a déclaré la co-auteure Lucy Ziurys, professeure d'astronomie, de chimie et de biochimie à l'UArizona Regents.

"Nous savons que la matière première est là, et nous savons que les conditions sont très proches de ce que vous verriez près de l'enveloppe d'une étoile mourante", a-t-elle déclaré. "Il y a des ondes de choc qui traversent l'enveloppe, il a donc été démontré que les conditions de température et de pression existent dans l'espace. Nous voyons également des buckyballs dans ces nébuleuses planétaires - en d'autres termes, nous voyons le début et les produits finaux que vous attendez dans nos expériences."

Ces simulations expérimentales suggèrent que les nanotubes de carbone, ainsi que les fullerènes plus petits, sont ensuite injectés dans le milieu interstellaire. Les nanotubes de carbone sont connus pour avoir une grande stabilité contre les radiations, et les fullerènes sont capables de survivre pendant des millions d'années lorsqu'ils sont protégés de manière adéquate contre les radiations cosmiques à haute énergie. Les météorites riches en carbone, telles que les chondrites carbonées, pourraient également contenir ces structures, selon les chercheurs.

Selon le co-auteur de l'étude Tom Zega, professeur au UArizona Lunar and Planetary Lab, le défi consiste à trouver des nanotubes dans ces météorites, en raison de la très petite taille des grains et parce que les météorites sont un mélange complexe de matériaux organiques et inorganiques, certains avec des tailles similaires à celles des nanotubes.

"Néanmoins, nos expériences suggèrent que de tels matériaux auraient pu se former dans l'espace interstellaire", a déclaré Zega. "S'ils ont survécu au voyage vers notre partie locale de la galaxie où notre système solaire s'est formé il y a environ 4,5 milliards d'années, ils pourraient être conservés à l'intérieur du matériau restant."

Zega a déclaré qu'un excellent exemple de ces restes est Bennu, un astéroïde carboné proche de la Terre dont la mission OSIRIS-REx dirigée par la NASA UArizona a récupéré un échantillon en octobre 2020. Les scientifiques attendent avec impatience l'arrivée de cet échantillon, prévue pour 2023.

"L'astéroïde Bennu aurait pu conserver ces matériaux, il est donc possible que nous y trouvions des nanotubes", a déclaré Zega. + Explorer plus loin

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