Universet forekommer at være et sted, hvor kemiske reaktioner vil vantrives. Det er koldt, tomt og ensformigt.
I det interstellare rum er temperaturen typisk 10-50 kelvin. Antallet af partikler pr. kubikcentimeter ligger mellem tusind og en million – i en kubikcentimeter flydende vand er der til sammenligning 10^22 molekyler. I mælkevejen med mere end 100 milliarder stjerner udgør hydrogen og helium 97,9 procent af massen – kun 0,1 procent er oxygen, og kulstof udgør det halve heraf.
Alligevel myldrer det med kemiske forbindelser i rummet. Hen ved 180 forskellige er allerede fundet.
»Vi lever i et molekylært univers,« forklarer astrokemikeren Lucy Ziurys på sin hjemmeside på University of Arizona.
De mest almindelige grundstoffer i de kemiske forbindelser er hydrogen, kulstof, nitrogen og oxygen, men også jern, titan og andre grundstoffer er fundet i molekyler.
De fleste forbindelser, der er fundet til dato, indeholder kun to eller tre atomer, men der kendes også organiske molekyler med 10 og flere atomer.
Molekylerne detekteres med radioastronomi eller infrarød spektroskopi, da deres vibrations- eller rotationstilstande giver anledning til absorption og emission ved bestemte bølgelængder. På den måde sætter molekylerne karakteristiske fingeraftryk i de signaler, der modtages fra rummet.
Komplekse molekyler med mange atomer sætter dog kun ganske svage aftryk og er derfor vanskelige at identificere.
Kulstof og sukker
Nogle af forbindelserne er fundet i områder af universet, der er forholdsvis varme, og hvor koncentrationen af partikler er høj.
Det er eksempelvis tilfældet for de største molekyler, der er observeret i rummet, de fodboldformede kulstofmolekyler C60 og C70.
Jan Cami fra University of Western Ontario i Canada beskrev sammen med tre medforfattere for tre år siden i Science, hvordan de havde observeret disse i en gassky, en såkaldt planetarisk tåge – 6.500 lysår fra jorden.
Opdagelsen blev gjort med Nasas Spitzer-rumteleskop.
Sukkermolekylet glycolaldehyd (HCOCH2OH) er et andet interessant lidt større molekyle, der er fundet i rummet.
Sidste år kunne Jes K. Jørgensen fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet berette i Astrophysical Journal Letters, at han ved brug af Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), der nu består af 66 antenner i Chile, havde fundet det i nærheden af en ung stjerne, af samme type som vores egen sol, 400 lysår borte.
Ydermere var molekylerne på vej ind i solsystemet omkring stjernen. Det er interessant, for molekylet indgår i processer, der danner mere komplekse molekyler af relevans for biologisk aktivitet.
Støvskyen, der danner solsystemet, har en temperatur omkring 10 kelvin. Når stjernen er dannet, bliver støvskyen varmet op til omkring stuetemperatur.
Der findes flere alternative processer til, hvordan glycolaldehyd kan dannes, men Jes K. Jørgensen noterede i artiklen, at observationerne var konsistente med, at det var opstået ved en reaktion, der involverede methanol (CH3OH) og carbonoxid (CO) i forbindelse med ultraviolet stråling.
Aminosyrer er nøglen til livet
Aminosyrer er særligt interessante at finde i universet, da de så at sige er livets byggeblokke.
Der var igennem mange år usikkerhed om, hvorvidt den mindste aminosyre, glycin (NH2CH2COOH), var detekteret i rummet.
I 2008 opdagede tyske forskere dog en forløber for glycin, amino-acetonitril (NH2CH2CN), i et område nær mælkevejens centrum kaldet Sagittarius B2. Endelig kunne Nasa i 2009 bekendtgøre, at der var fundet glycin i halen fra kometen Wild 2, da Stardust-missionen opsamlede materiale under en passage i 2004.
Spørgsmålet er så, hvordan aminosyrer dannes i universet. På jorden sker det gennem en lang kæde af komplekse reaktioner i planter og dyr, som understøttes af enzymer, der er udviklet til dette formål gennem millioner af år.
Ralf Kaiser fra University of Hawaii har genskabt betingelser i laboratoriet, der minder om det kolde univers.
Herved har han vist, at processen i universet forløber nogenlunde som Strecker-syntesen, der har været anvendt industrielt siden 1800-tallet, hvor man blander aldehyd, ammoniak og cyanid, varmer det op og tilfører syre.
I rummet kommer energien fra ioniserende stråling, og processen sker i forbindelse med isbelagt kosmisk støv indeholdende bl.a. kulstofdioxid og ammoniak.
Reaktionen kræver mindre energi, når den sker på overfladen af støvpartiklerne, som også opsamler den overskudsenergi, der bliver frigivet.
Ralf Kaiser undersøger nu i laboratoriet, om to aminosyrer kan reagere på støvet og danne et dipeptid, som er et lille protein.
Tunneleffekten hjælper til
Støv hjælper dog ikke alle kemiske processer.
Sidste år opdagede astronomer methoxy-molekyler indeholdende kulstof, hydrogen og oxygen i en molekylær sky omkring 600 lysår fra jorden. Det var umuligt at skabe dette molekyle i laboratoriet ved hjælp af støvkorn.
Ved et tilfælde opdagede Dwayne Heard fra University of Leeds dog, at reaktionshastigheden for hydroxyl-radikaler ikke fulgte den forventede kurve, så reaktionerne forløb langsommere og langsommere, når temperaturen blev sænket.
I en nylig artikel i Nature Chemistry er beskrevet, at reaktionshastigheden omkring 70 kelvin er 100 gange så hurtig som reaktionshastigheden ved 200 kelvin og omkring 10 gange så hurtig som reaktionshastigheden ved 500 kelvin.
»Gosh! Der må foregå noget andet,« siger han til New Scientist.
Det andet er kvantemekanik og tunneleffekten.
Ved de lave temperaturer er det muligt for molekylerne at være i kontakt med hinanden i relativ lang tid. Det gør det muligt for reaktionen at gennembryde energibarrieren for den kemiske reaktion via tunneleffekten, som er et kvantemekanisk fænomen, der også udnyttes i bl.a. halvlederelektronik.
Effekten er størst for små atomer og derfor særligt relevant for processer, hvor der indgår hydrogen, beskrev Johannes Kästner fra Universität Stuttgart mere indgående i en nylig artikel i Computational Molecular Science.
Tunneleffekten gør det derfor muligt for hydrogenatomer i reaktionen mellem methanol (CH3OH) og hydroxylradikalet (OH) at danne et methoxyradikal (CH3O).
Fjerner man et hydrogenatom herfra, får man formaldehyd (CH2O), som via yderligere reaktioner kan danne mere komplekse organiske molekyler. Om det rent faktisk sker i universet, vides dog ikke endnu.
Der er således stadig en lang række uafklarede forhold om kemien i kosmos, men kemikere og astronomer har for alvor sat gang i forskningen om det molekylære univers.
Leave a Reply