Eksperyment ukazuje rolę pyłu w powstawaniu wody w kosmosie

Eksperyment ukazuje rolę pyłu w powstawaniu wody w kosmosieOriginal Press Release
Kurz i pył stanowią w domu coś, czego chcielibyśmy widzieć jak najmniej jednak, jak twierdzą naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Heriot-Watt, w kosmosie odgrywają kluczową rolę w powstawaniu kluczowego składnika życia – wody.

Nasze eksperymenty bazują na zdolności odtworzenia w warunkach laboratoryjnych bardzo niskich ciśnień i niskich temperatur w regionach powstawania gwiazd. Eksperymenty prowadzimy w komorze próżniowej schłodzonej do temperatury około 5 K, w której wykorzystujemy powierzchniowo czułe techniki by badać fizyczne i chemiczne zachowanie atomów tlenu oraz cząstek na powierzchniach pyłu i drobin lodu

Victoria Frankland

„Sądzimy, że na wczesnych etapach historii Ziemi wodę na naszą planetę dostarczyły komety, te z kolei powstały z materii międzygwiezdnej pozostałej po okresie narodzin Słońca. Ale kolejny krok wstecz jest niewiadomą „- mówi Frankland.

Woda jest stosunkowo powszechna w medium międzygwiezdnym a atomy wodoru są wszędzie, jednak istniej problem z drugim podstawowym składnikiem H2O. Reakcje w fazie gazowej, jakie mogą zachodzić w medium międzygwiezdnym są ograniczone przez niskie ciśnienia i temperaturę. Eksperymenty wykazały, że w takich warunkach atomy wodoru mogą łączyć się z cząsteczkowym tlenem (O2) i ozonem (O3). Jednak  dane z badań satelitarnych wykazały, że w przestrzeni jest bardzo mało gazowego tlenu cząsteczkowego a ozonu jak dotąd w ogóle nie wykryto. Z drugiej strony tlen atomowy jest stosunkowo powszechny, jednak zachodzące w fazie gazowej reakcje między nim a wodorem nie pozwalają na wyprodukowanie obserwowanej ilości wody.  Dodatkowo obserwowane ilości atomowego tlenu wskazują, że w obszarach gwiazdotwórczych jest go mniej niż w pozostałej przestrzeni kosmicznej.

Victoria Frankland i jej zespół na Uniwersytecie Heriot-Watt sądzą, że cząstki pyłu, stanowiące około 1% medium międzygwiezdnego, są kluczem dostarczają bowiem powierzchni na których mogą zachodzić reakcje. Dodatkowo część cząstek zostaje na powierzchni, na której z czasem powstaje warstwa lodu. Ta powłoka, zbudowana głównie z lodu wodnego może odgrywać rolę w kolejnych reakcjach.

Zespół stworzył pionierską technikę badań powierzchniowych pozwalających ocenić eksperymentalnie jak tego rodzaju reakcje mogą zachodzić. Wyzwaniem stało się odtworzenie w warunkach laboratoryjnych bardzo niskich temperatur i ciśnień medium międzygwiezdnego.

W pierwszym etapie badań naukowcy przyjrzeli się jak powierzchni cząstek pyłu wpływa na reakcje tlenu w różnych formach w celu wyeliminowania innych ścieżek powstawania wody. Jednak ostatecznym celem badań jest połączenie strumieni atomowego tlenu i wodoru by badać jak na powierzchni pyłu powstają cząstki wody.

„Już we wstępnych eksperymentach uzyskaliśmy ciekawe wyniki, które pozwalają nam obserwować jak na cząstkach pyłu powstaje lodowa skorupa. Wygląda na to, że w jej wnętrzu mogą zostać złapane atomy tlenu. Badania wymagają dalszej pracy, ale istnieje nadzieja, że nasze eksperymenty nie tylko pomogą rozwiązać zagadkę pochodzenia wody, ale również brakującego tlenu „- mówi Frankland.

Źródła:

Dusty experiments are solving interstellar water mystery

Dust may be a nuisance around the house but it plays a vital role in the formation of the key ingredient for life on Earth – water – according to researchers at Heriot-Watt University.  The results from pioneering experiments to solve one of the mysteries of the interstellar space, where did all the water come from, will be presented by Victoria Frankland at the RAS National Astronomy Meeting in Glasgow on Wednesday 14th April.

“We think that the Earth’s water was delivered by comets during the early stages of Earth’s history and that comets were formed from interstellar material left over after the birth of the Sun, but the next step back has been unclear,” said Ms Frankland. 

Water is relatively abundant in the interstellar medium and hydrogen atoms are extremely common, but there is a problem with the other vital ingredient for H2O. Gas phase reactions that can take place in the interstellar medium are limited by the low temperatures and pressures. Experiments show that it is possible for hydrogen atoms to combine with molecules of oxygen (O2) or ozone (O3) under the conditions of the interstellar medium.  However, observations by recent satellite missions have detected very little gaseous molecular oxygen (O2) and ozone (O3) has never been detected at all in these regions of space. On the other hand, atomic oxygen (O) is quite plentiful, but gas phase reactions between hydrogen and atomic oxygen can’t account for the amount of water observed. Even the observed quantities of atomic oxygen suggest that some is ‘missing’ in star-forming regions compared to the rest of interstellar space.

Ms Frankland and her colleagues at Heriot-Watt believe the dust grains, which make up about 1% of the interstellar medium, hold the key by providing a surface that helps reactions take place. In addition, some molecules remain stuck to the surface, building up an icy coating over time. This coating, which is mainly water ice, can then play a role in reactions.

The team at Heriot-Watt has pioneered surface science techniques to evaluate experimentally exactly how such reactions might occur. However, the temperatures in interstellar space can reach just a few degrees above absolute zero, so recreating the conditions in the laboratory has been a challenge.

“Our experiments rely on being able to reproduce in the laboratory the very low pressures and low temperatures of these star-forming regions. We set up our experiments in a vacuum chamber and cool it down to –268 degrees Celsius, then use surface sensitive techniques to explore the physical and chemical behaviour of oxygen atoms and molecules on the surfaces of dust and ice grains.” said Ms Frankland.

Initially, the experiments have been looking at how the surfaces of dust particles affect the reactions of oxygen in its various forms in order to eliminate other water formation reactions. However, the ultimate aim of this research will be to combine atomic beams of oxygen and hydrogen study in situ water formation on a grain surface.

“These initial experiments are having some interesting results in that they are allowing us to look at how the ice coating develops on the dust particles. It appears that oxygen atoms may become trapped inside the icy mantles.  We need to do more work, but it may be that our experiments might help solve the mystery of the missing atomic oxygen as well as where the water has come from,” said Ms Frankland.

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *