Astrochemicy modelują kosmiczne procesy: Odkryto prawdopodobny mechanizm powstawania fulerenów z WWA

Międzynarodowa grupa naukowców, w której skład weszli specjaliści z renomowanego Uniwersytetu Kolorado w Boulderze, zrealizowała serię innowacyjnych eksperymentów laboratoryjnych. Ich celem było precyzyjne zasymulowanie skomplikowanych reakcji chemicznych, jakie nieustannie zachodzą w otchłani kosmosu. Wyniki tych badań, opublikowane w cenionym periodyku Journal of the American Chemical Society, dostarczają przekonującego i spójnego wyjaśnienia mechanizmu formowania się fulerenów. Mowa tu zwłaszcza o słynnym buckminsterfulerenie (C60), który jest zaskakująco powszechnie spotykany w międzygwiezdnym środowisku. Główna teza badaczy koncentruje się na roli promieniowania kosmicznego, które pełni funkcję katalizatora, skutecznie przekształcając policykliczne węglowodory aromatyczne (WWA, znane również jako PAU) w te charakterystyczne, sferyczne struktury zbudowane wyłącznie z atomów węgla.

Proces tej transformacji jest uznawany przez astrochemików za kluczowy i krytycznie ważny etap w całej chemicznej ewolucji Wszechświata. Jego rezultatem jest bowiem pojawienie się bardziej złożonych cząsteczek organicznych, które stanowią niezbędny budulec dla późniejszego formowania się zarówno gwiazd, jak i całych systemów planetarnych. Aby jak najwierniej odtworzyć warunki panujące w kosmosie, naukowcy zastosowali bombardowanie wiązkami elektronów na dwie stosunkowo małe molekuły WWA: antracen i fenantren. Ten intensywny proces doprowadził do szybkiej utraty atomów wodoru, co z kolei wymusiło radykalną i głęboką przebudowę strukturalną cząsteczek. W trakcie tej restrukturyzacji atomy węgla zaczęły spontanicznie tworzyć konfiguracje zarówno heksagonalne (sześciokątne), jak i pentagonalne (pięciokątne), co jest pierwszym krokiem do zamknięcia się struktury.

Zaskakującym, choć niezwykle istotnym, wnioskiem płynącym z przeprowadzonego modelowania laboratoryjnego jest sugestia, że to właśnie cząsteczki zawierające w swojej strukturze pięciokąty pełnią rolę tego długo poszukiwanego „brakującego ogniwa”. To one umożliwiają efektywne i stabilne przejście od płaskich struktur WWA do zamkniętych, stabilnych fulerenów. Wyniki te mają fundamentalne znaczenie dla współczesnej astrofizyki, ponieważ oferują prawdopodobny, a co najważniejsze, bardzo powszechny mechanizm, za pomocą którego fulereny mogą powstawać w rozległej przestrzeni kosmicznej. Co więcej, fulereny uformowane w ten sposób, wraz z ich molekularnymi prekursorami, mogą być teraz aktywnie poszukiwane i identyfikowane. Umożliwią to najnowocześniejsze narzędzia obserwacyjne, w tym potężny Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który jest zdolny do detekcji subtelnych sygnatur chemicznych w odległych obłokach gazu.

Możliwość dokładnej identyfikacji tych skomplikowanych molekuł pozwala globalnej społeczności naukowej na znacznie głębsze wniknięcie w chemiczne procesy rządzące formowaniem się zarówno pojedynczych gwiazd, jak i całych systemów planetarnych. Prezentowane badania wprowadzają znaczącą korektę do dotychczasowego rozumienia astrofizyki chemicznej. Przesuwają one bowiem główny akcent z wcześniej postulowanych, wysoce energetycznych zjawisk, takich jak gwałtowne eksplozje supernowych, na rzecz bardziej stopniowego i ciągłego procesu, który jest napędzany przez wszechobecne promieniowanie kosmiczne. Zrozumienie tej konkretnej ścieżki syntezy nie tylko w pełni wyjaśnia, dlaczego cząsteczka C60 jest tak szeroko rozpowszechniona w kosmosie, ale również znacząco poszerza naszą perspektywę na to, w jaki sposób z najprostszych pierwiastków mogą wyłaniać się chemiczne przesłanki i warunki niezbędne do zaistnienia życia we Wszechświecie.