Czy w kosmosie jest inna, nieznana na Ziemi chemia? Tajemnicze związki - nieznane reakcje
Meteoryt Allende, który uderzył w Ziemię na obszarze Meksyku w 1969 roku, zawierał w sobie materiał, który nie tylko nigdy nie był spotykany na Ziemi. Pochodził w procesów, które zachodziły bardzo dawno w historii kosmosu, w tym panguit, nazwany tak na cześć olbrzyma Pan Gu, który według chińskiej mitologii, stworzył Ziemię. Składa się z nietypowej mieszanki pierwiastków, w tym tytanu, cyrkonu i skandu, która uformować się miała w samych początkach Układu Słonecznego, 4,5 mld lat temu.
Skoro te stare minerały tak bardzo różnią się chemicznie od tego, co znamy i są tak wyjątkowe, to rodzą się pytania o to, jak nasz Układ Słoneczny powstawał, jakie procesy i obiekty w tym uczestniczyły. Gdyby bowiem było to wydarzenie wyłącznie "lokalne", z udziałem jedynie materii formującego się Słońca i dysku protoplanetarnego, który je otaczał, to wydaje się, że wszystko powinno być chemicznie jednorodne, bez anomalii.
Znalezisk tego rodzaju jest więcej. Na przykład w 2022 r. wewnątrz 17-tonowego meteorytu El Ali, który został znaleziony w Somalii w 2020 roku, odkryto dwa minerały, których nigdy wcześniej nie widziano na Ziemi. Naukowcy nazwali je elaliite ("elalit") po meteorze i elkinstantonit na cześć Lindy Elkins-Tanton, badaczki z Uniwersytetu stanowego w Arizonie i głównej naukowiec nadchodzącej misji NASA na bogatą w cenne metale asteroidę Psyche.
Tajemnicze kryształki z Księżyca
W ostatnich latach sporo rozgłosu zyskało odkrycie przez chińskich naukowców przezroczystego kryształu nazwie Changesite-(Y), który oprócz tego, że widzi się w nim możliwe paliwo termojądrowe przyszłości, jest całkowicie niepodobny do wszystkiego, co znaliśmy do tej pory na Ziemi i na Księżycu.
W 2019 roku, członek zespołu obsługującego chińskiego łazika księżycowego Change’4 zauważył za pośrednictwem kamery mały krater, który zawierał materiał o dziwnym kolorze i połysku. Żelowa na pierwszy rzut oka substancja zadziwiła wszystkich a media rozpisywały się o tajemniczym materiale znalezionym na srebrnym globie. Choć potem okazało się, że był to jedynie blask znanych już kamieni, grunt pod kolejne odkrycia został przygotowany.
Kolejna chińska sonda Chang’e 5, która jako pierwsza misja księżycowa od 1976 roku, przywiozła próbki skał księżycowych, w tym kryształowe drobiny o rozmiarze około 10 mikronów. Jak podały chińskie media państwowe, naukowcy potwierdzili odkrycie nowego minerału znalezionego wśród próbek księżycowego bazaltu. Międzynarodowe Stowarzyszenie Mineralogiczne przeanalizowało i sklasyfikowało odkrycie jako nowy minerał. Kryształy mają podłużny kształt, są bezbarwne i półprzezroczyste. Changesite-(Y) to minerał fosforanowy, nazwany na cześć misji księżycowej, podczas której został znaleziony. Społeczność naukową i media zelektryzował fakt, że nowo odkryty minerał zawiera izotop hel-3, który ma mieć duży potencjał jako futurystyczne źródło energii z fuzji jądrowej.
Gazy w kosmosie mniej szlachetne
Innym wątkiem niezwykłej kosmicznej chemii są odkrycia dotyczące związków, które, zgodnie z naszą ziemską wiedzą, wydają się niemożliwe do zaistnienia. Na przykład związki gazów szlachetnych. Na naszej planecie gazy tego typu nieprzypadkowo zyskały swoją nazwę. Ich "szlachectwo" polega właśnie na tym, że nie wchodzą za bardzo w wiązania chemiczne z innymi pierwiastkami. Związków chemicznych helu, neonu, argonu, kryptonu, ksenonu i radonu nie spotyka się na naszej planecie w stanie naturalnym.
W odległych czeluściach Wszechświata jest nieco inaczej. Badania spektralne odległych kosmicznych obłoków gazu ujawniły związki chemiczne z ich udziałem. W przestrzeni międzygwiezdnej, gdzie panują ekstremalne temperatury i gęstości, gazy szlachetne robią rzeczy, których nigdy nie zrobiłyby na Ziemi, czyli np. wymieniają się z innymi atomami elektronami, inaczej mówiąc, wchodzą w reakcje i tworzą związki.
Na Ziemi, naukowcy od ok. stu lat wymyślają i sztucznie tworzą cząsteczki gazów szlachetnych. W 1925 r. eksperymentatorzy zmusili hel do związania się z wodorem, tworząc wodorek helu, czyli HeH+ - nazywany przez chemików nie cząsteczką, lecz, ponieważ jest naładowany elektrycznie, jonem molekularnym. W 1962 roku chemik Neil Bartlett zmusił ksenon do połączenia się z fluorem i platyną, uzyskując związek, który był pierwszą angażującą gaz szlachetny substancją składającą się z elektrycznie neutralnych cząsteczek.
Astronomowie przez lata poszukiwali w kosmosie, szczególnie tej pierwszej cząsteczki gazu szlachetnego, HeH+, która składa się z atomów najpospolitszych we Wszechświecie pierwiastków. Wydawało się, że takie połączenie będzie najbardziej prawdopodobnym znaleziskiem, które potwierdzałoby naturalne procesy formowania związków gazów szlachetnych. Szukając HeH+ zostali zaskoczeni przez znacznie dziwniejszą chemię innego gazu szlachetnego, argonu.
Argon jest trzecim co do ilościowej proporcji gazem w atmosferze, którą oddychamy. Azot i tlen stanowią odpowiednio 78 i 21% ziemskiej atmosfery, zaś argon stanowi większość pozostałego jednego procenta. Nikt raczej nie szukał międzygwiezdnej cząsteczki zawierającej argon. "To było w zasadzie przypadkowe odkrycie", oceniał w publikacji na ten temat astrofizyk z University College w Londynie, Mike Barlow, kierujący zespołem, który przypadkowo znalazł molekułę ArH+ w dalekim kosmosie.
W obserwacjach teleskopu kosmicznego Herschela zauważono, iż coś w przestrzeni międzygwiezdnej absorbuje dalekie światło podczerwone o długości fali 485 mikronów, linię widmową, która nie była wcześniej obserwowana. Żadna znana cząsteczka, w tym także argon, nie pasowała do obserwowanej długości fali 485 mikronów. Tymczasem zespół Barlowa używał danych Herschela do badania Mgławicy Krab, pozostałości po masywnej gwieździe, której wybuch nasi przodkowie mogli obserwować w 1054 roku. Niebiański fajerwerk wyrzucił obłok "metali", bo tak astronomowie nazywają pierwiastki cięższe od helu.
W bogatym w argon gazie mgławicy Barlow i jego koledzy dostrzegli dwie niezidentyfikowane linie widmowe. Jedna była tą samą tajemniczą linią, którą wszyscy inni widzieli przy 485 mikronach, druga zaś miała dokładnie połowę długości tej fali - znak rozpoznawczy cząsteczki zawierającej dwa atomy. Barlow zidentyfikował ją jako związek argonu z wodorem, ogłaszając swoje odkrycie w 2013 roku. Była to pierwsza cząsteczka gazu szlachetnego, jaką kiedykolwiek znaleziono w naturze, choć w ostatniej chwili redaktorzy pracy naukowej zmienili słowo "molekuła" w tytule na "jon molekularny". Początkowe problemy z wykryciem, o co chodzi z absorpcją na długości 485 mikronów, tłumaczone są innym izotopowym składem argonu kosmicznego w porównaniu z ziemskim (1), co zresztą samo w sobie też jest interesujące.
Na podstawie standardowych obliczeń dotyczących przebiegu reakcji chemicznych w przestrzeni kosmicznej naukowcy wiedzą teraz, że powstanie kosmicznej cząsteczki argonu wymaga dwóch etapów. Najpierw promieniowanie w przestrzeni musi odebrać elektron atomowi argonu, tworząc Ar+. Następnie jon argonu może ukraść atom wodoru z cząsteczki wodoru (H2), aby stworzyć argon, ArH+, ponieważ atom wodoru jest bardziej przyciągany do jonu argonu niż do swojego wodorowego kolegi. Cząsteczka gazu szlachetnego może więc istnieć tylko tam, gdzie jest wystarczająco dużo molekularnego wodoru, ale nie tak dużo, by ją rozerwać. Ma to swoje konsekwencje dla teorii powstawania gwiazd.
Gaz międzygwiazdowy w naszej części Drogi Mlecznej występuje w dwóch głównych rodzajach: atomowym i molekularnym. Pierwszy i bardziej powszechny typ składa się głównie z pojedynczych atomów wodoru i helu. Ponieważ taki gaz atomowy jest rozproszony, rzadko tworzy nowe gwiazdy. Większość gwiazd powstaje w gęstszym gazie, gdzie atomy tłoczą się ze sobą, tworząc cząsteczki. Odróżnienie obłoków międzygwiezdnych, które składają się głównie z gazu atomowego od tych, które składają się głównie z gazu molekularnego, może być trudne, i tu właśnie pojawia się związek argonu jako "znacznik prawie czystatomowego gazu". W rzeczywistości, chociaż chodzi o cząsteczkę związku argonu, to istnieć może ona, według założeń, tylko w gazie, który jest w 99,9 do 99,99% atomowy.
Wreszcie w kwietniu 2019 r. astronomowie pod kierownictwem Rolfa Güstena z Instytutu Max Plancka w Niemczech poinformowali o znalezieniu długo poszukiwanej cząsteczki wodorku helu i to całkiem blisko, jak na skale kosmiczne, bo w Drodze Mlecznej.
Stratosferyczne Obserwatorium Astronomii Podczerwonej poszukiwało upragnionej cząsteczki za pomocą teleskopu z nowym, czułym spektrometrem wysokiej rozdzielczości. Instrument ten z powodzeniem wykrył sygnaturę HeH+ w dalekiej podczerwieni na długości fali 149 mikrometrów. Güsten i jego koledzy odnieśli sukces przeszukując mgławicę NGC 7027 w gwiazdozbiorze Łabędzia. Tutaj, około 600 lat temu, starzejąca się gwiazda, znana jako czerwony olbrzym, zrzuciła swoją atmosferę, co nasze Słońce też zrobi za około 7,8 miliarda lat. To odsłoniło gorące jądro umierającej gwiazdy, które ma temperaturę 190 tys. kelwinów i emituje światło ultrafioletowe, odrywające elektrony od atomów helu, dzięki czemu powstają zjonizowany He+. Łącząc się z neutralnymi atomami wodoru z innych części mgławicy, tworzy HeH+. We wczesnym Wszechświecie było odwrotnie - był naładowany wodór i neutralny hel - ale efekt końcowy był taki sam - pierwotny HeH+, pierwsza cząsteczka, która powstała po Wielkim Wybuchu.
Substancja jako echo możliwego życia
Oprócz dziwnej i niespotykanej na Ziemi chemii w ostatnich latach poszukuje się w kosmosie związków może nie tak dla nas nietypowych, ale nietypowych w sensie kosmicznym. Naukowcy z NASA zidentyfikowali w 2020 r. w atmosferze Tytana cząsteczkę, która nigdy nie została wykryta w żadnej innej atmosferze. Chodzi o cyklopropenyliden, czyli C3H2 (2). Badacze twierdzą, że ta prosta cząsteczka oparta na węglu może być prekursorem bardziej złożonych związków, które mogłyby tworzyć lub zasilać ewentualne życie na Tytanie.
Naukowcy znaleźli C3H2 za pomocą obserwatorium radioteleskopowego w północnym Chile znanego jako Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Zauważyli C3H2 podczas przesiewania przez spektrum unikalnych sygnatur świetlnych zebranych przez teleskop. Chociaż wiedzą o występowaniu tego związku w całej naszej galaktyce, znalezienie go w atmosferze ciała kosmicznego było niespodzianką.
Astronomowie do tej pory znajdowali C3H2 jedynie w obłokach gazu i pyłu unoszących się pomiędzy układami gwiezdnymi - innymi słowy, w rejonach zbyt zimnych i rozproszonych na reakcje chemiczne. Identyfikacja C3H2 na Tytanie była możliwa dlatego, że uczeni patrzyli w górne warstwy atmosfery księżyca, gdzie jest mniej innych gazów, z którymi ten reaktywny związek może wchodzić w interakcje. Nie wiedzą jeszcze, dlaczego cyklopropenyliden pojawiłby się w atmosferze Tytana, nie występując w żadnej innej atmosferze.
W tym przypadku, jeśli uda się przeprowadzić misję na Tytana i powiązać ten związek z nieznanymi nam procesami życiowymi, mielibyśmy świetną wskaźnik, tzw. biosygnaturę, którą możemy posługiwać się w badaniach innych miejsc w kosmosie, także poza naszym Układem Słonecznym.
Mirosław Usidus
