Vilka är vi? Varför är vi här? Som låten Crosby, Stills, Nash & Young antyder är vi stjärnstoft, resultatet av kemi som uppstår i stora moln av interstellär gas och stoft. För att bättre förstå hur denna kemi kan skapa prebiotiska molekyler – fröna till liv på jorden och eventuellt på andra platser – har forskare undersökt vilken roll lågenergielektroner spelar som skapas när kosmisk strålning passerar genom ispartiklar. Resultaten kan också komma att användas i medicinska och miljömässiga tillämpningar på vår hemplanet.
Grundstudenten Kennedy Barnes kommer att presentera teamets resultat vid höstmötet för American Chemical Society (ACS). ACS Fall 2024 är ett hybridmöte som hålls virtuellt och fysiskt den 18-22 augusti och som innehåller cirka 10.000 presentationer om en rad olika vetenskapliga ämnen.
”Den första upptäckten av molekyler i rymden gjordes av Annie Jump Cannon, alumn från Wellesley College, för mer än hundra år sedan”, säger Barnes, som tillsammans med Rong Wu ledde denna studie vid Wellesley under ledning av kemiprofessor Christopher Arumainayagam och fysikprofessor James Battat. Sedan Cannons upptäckt har forskare varit intresserade av att ta reda på hur utomjordiska molekyler bildas.
”Vårt mål är att utforska den relativa betydelsen av lågenergielektroner jämfört med fotoner när det gäller att starta de kemiska reaktioner som är ansvariga för den utomjordiska syntesen av dessa prebiotiska molekyler”, förklarar Barnes.
De få studier som tidigare har undersökt denna fråga tyder på att både elektroner och fotoner kan katalysera samma reaktioner. Barnes och hans kollegors studier tyder dock på att utbytet av prebiotiska molekyler från lågenergielektroner och fotoner kan vara betydligt annorlunda i rymden.
”Våra beräkningar tyder på att antalet elektroner som orsakas av kosmisk strålning i kosmisk is kan vara mycket större än antalet fotoner som träffar isen”, förklarar Barnes. ”Därför spelar elektroner sannolikt en viktigare roll än fotoner i den utomjordiska syntesen av prebiotiska molekyler.”
Förutom kosmisk is har hennes forskning om lågenergetiska elektroner och strålningskemi även potentiella tillämpningar på jorden. Barnes och hennes kollegor studerade nyligen radiolys av vatten och fann bevis för elektronstimulerad frisättning av väteperoxid och hydroperoxylradikaler, som förstör ozonet i stratosfären och fungerar som skadliga reaktiva syreföreningar i celler.
”Många av våra forskningsresultat om radiolys i vatten skulle kunna användas i medicinska tillämpningar och medicinska simuleringar”, säger Barnes och ger som exempel att man använder högenergistrålning för att behandla cancer. ”Jag hade en gång en biokemiprofessor som sa att människor i princip är påsar med vatten. Så andra forskare undersöker hur lågenergielektroner som produceras i vatten påverkar våra DNA-molekyler.”
Hon säger också att teamets resultat är tillämpliga på miljösaneringsinsatser där avloppsvatten behandlas med högenergetisk strålning, som producerar ett stort antal lågenergetiska elektroner som antas vara ansvariga för förstörelsen av farliga kemikalier.
Tillbaka till rymdkemin: i sina försök att bättre förstå den prebiotiska molekylsyntesen begränsade forskarna inte sina ansträngningar till matematisk modellering, utan testade även sina hypoteser genom att efterlikna förhållandena i rymden i labbet. De använder en ultrahögvakuumkammare som innehåller ett ultrarent kopparsubstrat som de kan kyla till ultralåga temperaturer, tillsammans med en elektronkanon som producerar lågenergetiska elektroner och en laserdriven plasmalampa som producerar lågenergetiska fotoner. Forskarna bombarderar sedan isfilmer i nanoskala med elektroner eller fotoner för att se vilka molekyler som produceras.
Forskare simulerar förhållandena i den interstellära rymden med denna kammare med ultrahögt vakuum och låg temperatur som innehåller en elektronkälla för att återskapa livets frön. Kredit: Kennedy Barnes
”Även om vi tidigare har fokuserat på hur denna forskning är tillämplig på interstellära submikrona ispartiklar, är den också relevant för kosmisk is i mycket större skala, som den på Jupiters måne Europa, som har ett 20 mil tjockt isskal”, säger Barnes.
Hon föreslår därför att deras forskning kommer att hjälpa astronomer att förstå data från rymdutforskningsuppdrag som NASA:s James Webb Space Telescope samt Europa Clipper, som ursprungligen förväntas skjutas upp i oktober 2024. Barnes hoppas att deras resultat kommer att inspirera andra forskare att införliva lågenergielektroner i sina astrokemiska modeller som simulerar vad som händer i kosmiska isar.
Barnes och hans kollegor varierar också isfilmernas molekylära sammansättning och utforskar atomadditionsreaktioner för att se om lågenergetiska elektroner kan producera andra prebiotiska kemikalier. Detta arbete görs i samarbete med forskare vid Laboratory for the Study of Radiation and Matter in Astrophysics and Atmospheres i Frankrike.
”Det finns mycket som vi är på väg att lära oss, vilket jag tycker är väldigt spännande och intressant”, säger Barnes och berättar om vad hon beskriver som en ny rymdålder.
