В стенах европейской лаборатории аспирант из Сиднея сумел воссоздать космическую пыль, поместив миниатюрную модель Вселенной в обычную стеклянную бутылку. Этот эксперимент, проведённый с нуля, открывает новые перспективы для понимания того, каким образом химические соединения, ассоциирующиеся с жизнью, могли сформироваться задолго до появления Земли. Линда Лосурдо, соискатель учёной степени в области физических материалов и наук при Школе физики, культивирует в лабораторных условиях смесь из азота, углекислого газа и ацетилена, имитируя тем самым энергетические условия, характерные для окрестностей звёзд и выбросов сверхновых.
После того как газовая смесь подверглась воздействию мощного электрического разряда, в ходе реакции образовалась богатая углеродом пыль. Этот материал, по своему составу идентичный веществу, дрейфующему в межзвёздном пространстве и сохраняющемуся внутри комет, астероидов и метеоритов, стал ключевым объектом исследования. Результаты работы были опубликованы в Астрофизическом журнале Американского астрономического общества.
Космическая пыль с элементами жизни
Полученная в лаборатории пыль демонстрирует сложное переплетение углерода, водорода, кислорода и азота. Эти элементы, известные в научной среде как молекулы CHON, входят в состав множества фундаментальных веществ, без которых существование живых организмов невозможно. «Нам больше не нужно ждать, пока астероид или комета прибудут на Землю, чтобы понять их историю», — пояснила г-жа Лосурдо. «Вы можете создать уникальную среду в лаборатории и перепроектировать её структуру, используя инфракрасные отпечатки пальцев».
По словам исследовательницы, такой подход способен дать колоссальный объём информации о том, как «углеродистая космическая пыль» может образовываться в плазме, выбрасываемой гигантскими старыми звёздами, или в пространстве звёздных яслей, где рождаются новые светила, и восстанавливать те удивительные молекулы, которые могут иметь жизненно важное значение для жизни. «Как будто мы в южной части мира разместили частичку Вселенной в бутылке в нашей лаборатории», — добавила она.
В реальном космосе космическая пыль формируется в экстремальных условиях. Молекулы постоянно подвергаются воздействию ионов и электронов, что запускает химические процессы, способные создавать всё более сложные материалы. Астрономы определяют различные типы космической пыли, изучая излучаемый ею инфракрасный свет. Эти сигналы, подобные молекулярным отпечаткам пальцев, позволяют исследователям устанавливать химический состав вещества. Созданные Лосурдо лабораторные образцы дали те же характерные инфракрасные сигнатуры, что и наблюдаемые в космосе. Это совпадение указывает на то, что эксперимент воспроизводит процессы, которые, как полагают, постоянно происходят в видимой атмосферной среде.
Происхождение блоков жизни
Вопрос о зарождении жизни на Земле остаётся одной из величайших научных загадок, всё ещё не имеющих ответа. Исследователи продолжают выяснять, сформировались ли первые органические молекулы непосредственно на молодой планете, прибыли ли они на борту комет и метеоритов, доставленных в эпоху становления Солнечной системы, или же имело место сочетание этих сценариев. Примерно 4,56–3,5 миллиарда лет назад метеориты, микрометеориты и частицы межпланетной пыли с астероидами и кометами неоднократно падали на Землю. Учёные полагают, что эти объекты вынесли на поверхность огромное количество органического материала.
Однако до сих пор остаётся неизвестным, где изначально сформировался этот материал и каковы были процессы его существования. «Считается, что ковалентно связанные углерод и водород в материале комет и астероидов образовались во внешних оболочках звёзд, в результате высокоэнергетических событий, таких как сверхновые, и в межзвёздной среде», — отметила г-жа Лосурдо. «Мы пытаемся понять конкретные химические пути и состояния, которые включают в себя все элементы CHON в сложной органической структуре, которые мы видим в космической пыли и метеоритах».
Создание пространства внутри стеклянных трубок
Лосурдо проводил эксперимент совместно со своим главным научным руководителем, профессором Дэвидом Маккензи. Исследователи на первом этапе использовали вакуумный насос для удаления воздуха из стеклянных трубок, добиваясь условий, близких к космической пустоте. Затем они наполнили трубку азотом, углекислым газом и ацетиленом. Примерно в течение последующего времени газовая среда подвергалась электрическому воздействию, что и привело к формированию уникальной пыли, отражающей процессы, происходящие в далёком космосе.
часа газовая смесь нагревалась на открытом воздухе при мощности около 10 000 вольт. Это создало форму ожога, называемую тлеющим разрядом.
Мощная энергия расколола исходные молекулы на части. Их компоненты затем рекомбинировались в более крупные и сложные химические структуры.
Тем временем вновь образовавшийся материал осел на кремниевые чипсы, помещенные внутрь трубок, оставив после себя тонкий слой пыли. В некоторых образцах собранные частицы напоминали сверкающие фрагменты внешнего материала.
Маккензи, соавтор исследований, сказал, что производство этой пыли на Земле дает изученный доступ к условиям, которые необходимо изучать непосредственно в космосе.
«Создание космической пыли в лаборатории, мы можем подключить конференционные удары и температуры, связанные с образованием пыли в космосе», — сказал он. Сказал профессор Маккензи. «Это важно, если вы поймете, что внутри облаков космической пыли есть, где, как полагают, постоянно существуют важные технологические процессы.
«Это также помогает нам интерпретировать, через что прошел метеорит или фрагмент астероида в нашей жизни». Его химическая подпись хранит записи о его путешествии, и подобные эксперименты помогают нам прочитать эту запись».
Создание библиотеки отпечатков пальцев для астрономов
Исследование может не только прояснить, как впервые образовались молекулы, связанные с жизнью. Команда также планирует собрать подробные базы данных инфракрасных отпечатков пальцев, созданных различными типами космической пыли, созданной в лаборатории.
Астрономы могли бы сравнить эти знаки с наблюдениями за областями звездообразования и остатками мертвых звезд. Соответствующий сигнал может указывать на то, где современная температура образует пыль, и помогать исследователям реконструировать происходящие там физические и химические процессы.
База данных также может улучшить способность ученых интерпретировать историю, описанную внутри метеоритов и фрагментов астероидов. Их химический состав может сохранить следы температуры, радиации и воздействия частиц, которые они распыляли во время своих космических путешествий.
Воспроизводящая космическую химию в лаборатории, исследование дает исследователям новый способ изучения процессов, происходящих глубоко в звездной среде. Это также может пролить свет на некоторые древние химические процессы, которые в конечном итоге создали создание жизни на Земле.
Лосурдо получил награду за презентацию этого исследования на ежегодных собраниях Метеорического общества в конце прошлого года.
Авторы сообщили об отсутствии конкурирующих интересов. Они выразили признательность в поддержку со стороны Австралии Сиднейского университета, работа получила финансирование от Австралийского исследовательского совета.