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Figura esquemática mostrando grãos de poeira (em cinza) misturados com moléculas de gelo (em azul), bem como as principais influências externas que facilitam o processamento químico no espaço profundo: calor, bombardeio por átomos, radiação ultravioleta e fluxos de partículas cósmicas (raios cósmicos) . Crédito: AM Quetz / MPIA
Astrônomos do Instituto Max Planck de Astronomia e da Universidade de Jena obtiveram uma visão mais clara dos minúsculos laboratórios espaciais da natureza: minúsculos grãos de poeira cobertos de gelo. Em vez de formas regulares cobertas espessa de gelo, esses grãos parecem redes macias de poeira, com finas camadas de gelo. Em particular, isso significa que os grãos de poeira têm superfícies consideravelmente maiores, onde é a maioria das reações químicas. Portanto, a nova estrutura tem conseqüências fundamentais para a visão dos astrônomos da química orgânica no espaço - e, portanto, para a gênese de moléculas prebióticas que poderiam ter desempenhado um papel importante na origem da vida na Terra.
Criar moléculas complexas no espaço profundo é tudo menos fácil. Segundo o conhecimento atual, os laboratórios naturais em que ocorrem as reações necessárias são grãos de poeira interestelar com superfícies geladas. Agora, novos resultados experimentais de Alexey Potapov, do grupo de astrofísica de laboratório MPIA da Universidade Jena e seus colegas demonstram que, em condições realistas, as camadas de gelo podem muito bem ser tão finas que a estrutura da superfície dos grãos de poeira desempenha um papel importante.
Isso abre um novo campo de estudo: aqueles que estão interessados nas origens cósmicas das moléculas precursoras orgânicas da vida precisarão examinar mais de perto as diferentes propriedades das superfícies dos grãos de poeira cósmica, suas interações com pequenas quantidades de gelo e no papel que os ambientes complexos resultantes desempenham ao ajudar a sintetizar moléculas orgânicas complexas.
Quando pensamos em como a vida e como nós mesmos chegamos a existir neste universo, há vários passos importantes, abrangendo física, química e biologia. Até onde sabemos, a história mais antiga da biologia de nossas próprias origens ocorreu aqui na Terra, mas o mesmo não é verdade para a física ou a química: a maioria dos elementos químicos, incluindo carbono e nitrogênio, foram criados por fusão nuclear dentro de estrelas ( "Somos uma estrela", como Carl Sagan disse).
Moléculas, incluindo as moléculas orgânicas necessárias para formar aminoácidos, ou nosso próprio DNA, podem se formar no meio interestelar. Nas poucas ocasiões em que as sondas conseguiram analisar diretamente a poeira cósmica, ou seja, as missões Stardust e Rosetta, a análise encontrou moléculas complexas, como o simples aminoácido glicina. Ao longo da evolução de um sistema planetário, moléculas orgânicas podem ser transportadas para as superfícies planetárias por meteoritos e cometas iniciais.
Como essas moléculas podem se formar em primeiro lugar, nas extensões quase vazias entre as estrelas, não é uma pergunta simples. No espaço sideral, a maioria dos átomos e moléculas faz parte de um gás ultrafino, com quase nenhuma interação - sem falar nas interações necessárias para construir moléculas orgânicas mais complexas.
Na década de 1960, os astrônomos interessados em química interestelar começaram a desenvolver a idéia de que grãos de poeira interestelar poderiam servir como "laboratórios interestelares", o que facilitaria reações químicas mais complexas. Esses grãos, à base de carbono ou silicato, geralmente se formam nas camadas externas de estrelas frias ou após as explosões de supernovas. Em uma nuvem de gás e poeira, diferentes tipos de moléculas aderem ao grão (frio), as moléculas se acumulam e, eventualmente, ocorrem reações químicas interessantes. Especificamente, levaria cerca de 100.000 anos para um grão de poeira acumular um manto de gelo (principalmente gelo de água, mas também algumas outras moléculas como monóxido de carbono). Essa camada gelada serviria como um minúsculo laboratório de química cósmica.
Os astrônomos interessados neste tópico logo perceberam que precisavam de experimentos para interpretar suas observações de nuvens de gás interestelares. Eles precisariam estudar grãos de poeira cobertos de gelo e sua interação com moléculas em laboratórios aqui na Terra. Para isso, usavam câmaras de vácuo, simulando o vazio do espaço, bem como as temperaturas apropriadas. Como a suposição na época era de que o que contava era a química na superfície gelada, tornou-se prática comum o uso de camadas de gelo para esses experimentos, aplicados a uma superfície comum, como uma placa de cristal de brometo de potássio (KBr) ou uma superfície de metal. Mas isso, segundo os novos resultados, só pode fazer parte da imagem, na melhor das hipóteses.
Imagens por microscopia eletrônica dos grãos de poeira cósmica artificial, em diferentes resoluções (microscopia eletrônica de transmissão à esquerda, microscopia eletrônica de varredura à direita). Ambos mostram as complexas e complexas estruturas superficiais dos grãos, resultando em grandes superfícies. Crédito: C. Jäger / MPIA e FSU Jena
A formação de planetas, bem como a busca pelas origens da vida, são os principais objetivos de pesquisa do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA), e os grãos de poeira gelada desempenham um papel importante para ambos. É por isso que, desde 2003, a MPIA mantém um Grupo de Astrofísica de Laboratório e Física de Cluster no Instituto de Física de Estado Sólido da Universidade Friedrich Schiller, Jena.
Parte do equipamento do grupo são lasers que podem ser usados para criar grãos artificiais de poeira cósmica. Para esse fim, um laser é apontado para uma amostra de grafite, corroendo (diminuindo) partículas minúsculas da superfície, meros nanômetros de diâmetro (onde um nanômetro é um bilionésimo de metro). Quando Alexey Potapov, do grupo Jena Laboratory Astrophysics, principal autor do novo artigo, e seus colegas estudaram esses grãos de poeira artificiais, induzindo a formação de diferentes tipos de gelo em suas superfícies, eles começaram a ter dúvidas sobre a imagem padrão da química na superfícies geladas grossas.
Em vez de grãos completamente cobertos com várias camadas de gelo sólido (gelo d'água ou gelo de monóxido de carbono) como uma cebola, os grãos de poeira que eles produziram em laboratório, permanecendo o mais próximo possível das condições realistas do espaço profundo, foram estendidos, com muitos tentáculos. formas - redes fofas de poeira e gelo.
Com essa forma, sua área total de superfície é muito maior (um fator de algumas centenas) do que para formas mais simples, e isso é um divisor de águas para os cálculos de como a quantidade detectada de água nas nuvens moleculares cobriria alguns grãos: Dos grãos com baixa área superficial, assim coberta completamente pela água disponível, chegamos a uma superfície mais extensa que terá camadas mais espessas em alguns lugares, enquanto em outros lugares não há mais do que uma única camada de cristais de gelo - simplesmente porque há água insuficiente para cobrir toda a área da superfície imensamente estendida com várias camadas de gelo.
Essa estrutura tem profundas conseqüências para o papel dos grãos de poeira gelada como pequenos laboratórios cósmicos. As reações químicas dependem das moléculas que ficaram presas na superfície e de como essas moléculas podem se mover (se dissipar), encontrar outras moléculas, reagir, ficar presas ou soltar novamente. Essas condições ambientais são completamente diferentes na nova versão fofa e empoeirada dos laboratórios cósmicos.
Potapov diz: "Agora que sabemos que os grãos de poeira são importantes, um novo jogador entrou no jogo astroquímico. Saber que o novo jogador está lá nos dá uma chance melhor de entender as reações químicas fundamentais que, em um estágio posterior, podem ter levado ao surgimento da vida no universo ".
Além disso, se os grãos não estiverem ocultos sob espessas camadas de gelo, mas puderem interagir com as moléculas aderentes à superfície , eles podem atuar como catalisadores, alterando a taxa de reações químicas por sua mera presença. De repente, certas reações para a formação de moléculas orgânicas como o formaldeído, ou certos compostos de amônia, devem se tornar muito mais comuns. Ambos são importantes precursores de moléculas prebióticas - portanto, essa mudança de foco teria um efeito direto em nossas explicações para a pré-história química da vida na Terra.
O co-autor e diretor da MPIA, Thomas Henning, diz: "Essas são novas e empolgantes direções na busca pela formação de moléculas complexas no espaço. Para acompanhar, a MPIA acaba de abrir seu novo laboratório" Origins of Life ', adaptado a este novo tipo de pesquisa ".
De maneira mais geral, os novos resultados, juntamente com vários resultados semelhantes obtidos em experiências anteriores, constituem um alerta para a comunidade astroquímica: se você deseja entender a astroquímica no meio interestelar e suas consequências para as origens da vida, afaste-se das cebolas geladas. Aceite o papel das superfícies de poeira. Abrace a possível fofura dos minúsculos laboratórios cósmicos da natureza.
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Mais informações: Alexey Potapov et al. Cobertura de gelo de grãos de poeira em ambientes astrofísicos frios, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.221103 , arxiv.org/abs/2005.00757
Informações da revista: Cartas de Revisão Física
Fornecido por Max Planck Society
Fonte: Phys News / por Max Planck Society /08-06-2020
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HélioR.M.Cabral (Economista,
Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Autor do livro: “Conhecendo o Sol e outras Estrelas”.
Membro da Society for
Science andthePublic (SSP) e assinante de conteúdoscientíficos da NASA
(NationalAeronauticsand Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`CoolGroundObservation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (CloudsandEarth´sRadiant Energy System) administrado pela NASA.A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The GlobeProgram / NASA
GlobeCloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela
NationalOceanicandAtmosphericAdministration (NOAA) e U.S DepartmentofState.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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