Buckyballs στο διάστημα:πώς σχηματίζονται πολύπλοκα μόρια άνθρακα στο διάστημα
Το μυστήριο του τρόπου με τον οποίο σύνθετα μόρια άνθρακα με δομή τύπου «μπάλας ποδοσφαίρου» –με το παρατσούκλι buckyballs– βρέθηκαν στο διαστρικό διάστημα έχει προβληματίσει τους επιστήμονες για αρκετό καιρό.
Αλλά τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα πρότεινε έναν πιθανό μηχανισμό σχηματισμού του άνθρακα-60 (C60) –ένα σφαιρικό μόριο που αποτελείται από 60 άτομα άνθρακα σε δομές που μοιάζουν με δακτυλίους–στο διάστημα .
Η ομάδα ανακάλυψε ότι η σκόνη καρβιδίου του πυριτίου που άφησαν πίσω τους αστέρια που πεθαίνουν και στη συνέχεια βομβαρδίστηκαν από σωματίδια υψηλής ενέργειας και ακραίες θερμοκρασίες θα μπορούσαν να αποβάλλουν πυριτικά άλατα αφήνοντας πίσω τους καθαρό άνθρακα που απαιτείται για τη δημιουργία του C60.
Τα αποτελέσματά τους δημοσιεύονται στο περιοδικό Astrophysical Journal Letters.
Η ανίχνευση των buckyballs –που ονομάστηκαν για την ομοιότητά τους με την αρχιτεκτονική που μοιάζει με θόλο του Buckminister Fuller– και ακόμη μεγαλύτερων μορίων C70 πριν από μερικά χρόνια προκάλεσε επανεξέταση της θεωρίας ότι τέτοια μόρια θα μπορούσαν να σχηματιστούν μόνο σε το εργαστήριο.
Επιπλέον, και το πιο σημαντικό, η ανακάλυψη ανέτρεψε την ιδέα ότι μόνο μόρια φωτός –έως περίπου 10 άτομα– θα μπορούσαν να βρεθούν διασκορπισμένα στον διαστρικό χώρο.
Μια άλλη έκπληξη προέκυψε από το γεγονός ότι τα μόρια που ανιχνεύθηκαν ήταν καθαρός άνθρακας.
Στο εργαστήριο, το C60 δημιουργείται ανατινάζοντας μαζί πηγές καθαρών ανθράκων όπως ο γραφίτης. Αυτή η διαδικασία θα πρέπει να είναι σχεδόν αδύνατη στα πλανητικά νεφελώματα που βρέθηκε το διαστρικό C60. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αυτό το περιβάλλον – συντρίμμια που δημιουργούνται στη βίαιη κατακραυγή των άστρων – έχει περίπου 10.000 μόρια υδρογόνου για κάθε μόριο άνθρακα.
Ο Bernal και η ομάδα του άρχισαν να ερευνούν αυτό το αίνιγμα με στόχο να αποκαλύψουν έναν πιθανό μηχανισμό σχηματισμού C60 όταν συνειδητοποίησαν ότι το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM) που βρίσκεται στο Kuiper Materials Imaging and Characterization Facility στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ήταν ικανό να προσομοιώσει αρκετά καλά το περιβάλλον του πλανητικού νεφελώματος.
Η δέσμη ηλεκτρονίων των 200.000 volt της TEM μπορεί να ανιχνεύσει την ύλη μέχρι τα 78 πικόμετρα για να δει μεμονωμένα άτομα. Η δοκός λειτουργεί επίσης σε κενό με εξαιρετικά χαμηλές πιέσεις. Η απίστευτα χαμηλή πίεση στο TEM είναι πολύ κοντά στην πίεση που βρίσκεται σε περιβάλλοντα γύρω από τα αστρικά. Αλλά αυτό είναι περισσότερο από τύχη παρά από σχεδιασμό.
Η ομάδα συνέταξε τη βοήθεια του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Σικάγο, το οποίο διαθέτει ένα TEM ικανό να μελετά τις αποκρίσεις ακτινοβολίας των υλικών. Τοποθετώντας καρβίδιο του πυριτίου –μια κοινή μορφή σκόνης που παράγεται από αστέρια– στο περιβάλλον χαμηλής πίεσης του TEM, η ομάδα στο Σικάγο το υπέβαλε σε θερμοκρασίες έως και 1.830 βαθμούς Φαρενάιτ ενώ το βομβάρδισε με ιόντα ξένου υψηλής ενέργειας.
Μετά από αυτό, το δείγμα επέστρεψε στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ώστε οι ερευνητές να μπορούν να χρησιμοποιήσουν την υψηλότερη ανάλυση και τις καλύτερες αναλυτικές δυνατότητες του TEM που βρίσκεται εκεί. Η υπόθεση της ομάδας θα επικυρωνόταν εάν παρατηρούσαν την αποβολή πυριτίου και την έκθεση του καθαρού άνθρακα.
Αυτή η εργασία υποδηλώνει ότι το C60 προέρχεται από τη σκόνη καρβιδίου του πυριτίου που παράγεται από αστέρια που πεθαίνουν – χτυπημένα από υψηλές θερμοκρασίες, κρουστικά κύματα και σωματίδια υψηλής ενέργειας. Αυτές οι βίαιες συνθήκες βγάζουν το πυρίτιο από την επιφάνεια και αφήνουν πίσω τους άνθρακα.
Αυτά τα μεγάλα μόρια διασκορπίζονται επειδή τα ετοιμοθάνατα αστέρια εκτοξεύουν το υλικό τους στο διαστρικό μέσο -τα διαστήματα μεταξύ των αστεριών-, εξηγώντας έτσι την παρουσία τους έξω από πλανητικά νεφελώματα.
Τα Buckyballs είναι πολύ σταθερά στην ακτινοβολία, επιτρέποντάς τους να επιβιώσουν για δισεκατομμύρια χρόνια εάν προστατεύονται από το σκληρό περιβάλλον του διαστήματος.
Πρωτότυπη έρευνα:"Formation of Interstellar C60 from Silicon Carbide Circumstellar Grains," The Astrophysical Journal Letters , 2019.
