Przejdź do treści

Naukowcy zdołali odtworzyć lód metanowy w laboratorium

Surfreside-3

Zespół astronomów z Uniwersytetu w Lejdzie (Niderlandy) wykazał w laboratorium, że metan faktycznie może tworzyć się na lodowych cząsteczkach pyłu zawieszonych w kosmosie. Możliwość tą rozważano już od dawna, ale ponieważ warunki panujące w przestrzeni kosmicznej są trudne do zasymulowania, nie było wcale proste udowodnienie tego w odpowiednich warunkach laboratoryjnych.

Metan, główny składnik gazu ziemnego, jest jednym z najprostszych węglowodorów. Składa się z atomu węgla i czterech atomów wodoru: ma wzór chemiczny CH4. Na Ziemi znamy metan głównie jako łatwopalny gaz, który powstaje z rozkładającego się materiału organicznego.

Metan występuje również w kosmosie jako gaz, ciecz lub lód. Na przykład Neptun i Uran zawierają (oprócz wodoru i helu) głównie metan gazowy. Księżyc Saturna, Tytan, jedyny księżyc w naszym Układzie Słonecznym z gęstą atmosferą, wykazuje obecność deszczów złożonych nie z wody, ale właśnie ze skroplonego metanu. Poza naszym Układem Słonecznym, czyli w przestrzeni międzygwiezdnej, lód metanowy jest także jedną z dziesięciu najobficiej wykrywanych substancji lodowych.

Panuje opinia, że metan powstaje w kosmosie, i że najpierw powstaje tam związek CH, a dopiero potem CH2, CH3 i na końcu CH4. W fazie gazowej reakcja ta przebiega powoli. Ale ponieważ metan powstaje na lodowatych ziarnie pyłu, samo takie ziarno pomaga przyspieszyć proces formowania się tego związku. Na przykład ziarenka pyłu stanowią miejsce spotkań atomów, zwiększając tym samym prawdopodobieństwo ich zbliżenia się do siebie w przestrzeni kosmicznej. Mogą one również absorbować energię powstającą w wyniku różnych reakcji chemicznych, która w przeciwnym razie prowadziłyby do rozpadu cząsteczek złożonych, właśnie takich jak metan.

Naukowcom z Laboratorium Astrofizycznego należącego do obserwatorium w Lejdzie (Leiden Observatory Uniwersytet w Lejdzie, Niderlandy) po raz pierwszy udało się wytworzyć metan w warunkach odpowiadających ściśle warunkom próżni kosmicznej. Aby było to możliwe, pozwalali zderzać się swobodnie atomom wodoru z atomami węgla, w temperaturze minus 263 stopni Celsjusza (10 K), w środowisku ultra wysokiej próżni, na lodowatych powierzchniach.

Zespołowi udało się już wcześniej wytworzyć w bardzo podobny sposób wodę (H2O) i amoniak (NH3) – badacze pozwalali atomom tlenu i azotu reagować z atomami wodoru. Jednak reakcje z atomami węgla okazały się trudniejsze do przeprowadzenia. Dzieje się tak, ponieważ węgiel jest bardzo lepki, co znacznie utrudnia wszelkie eksperymentowanie z nim. Danna Qasim, doktorantka z Leiden Observatory i główna autorka nowej publikacji naukowej, dodaje, że  trudno jest przeprowadzić taki eksperyment z atomami węgla. Węgiel lubi się kleić, dlatego wytworzenie kontrolowanej wiązki czystych atomów węgla stanowi samo w sobie wyzwanie. Jednocześnie należy koniecznie upewnić się, że w takim eksperymencie cała konfiguracja (atomów) nie jest całkowicie pokryta węglem – wyjaśnia Quasim.

Naukowcy udało się jednak tego dokonać. Byli też w stanie zróżnicować warunki panujące w tego rodzaju eksperymentach. Pozwoliło im to dokładnie zbadać, w jaki sposób i w jakich ilościach metan może powstawać w wyniku reakcji atomów węgla z atomami wodoru.

Stwierdzono na przykład, że lód metanowy lepiej tworzy się w środowisku bogatym w wodę. Jest to zgodne z obserwacjami astronomicznymi, które pokazują, że lód metanowy i lód wodny powinny się tworzyć w przestrzeni kosmicznej w miarę jednocześnie.

Procesy badane przez naukowców w laboratorium naśladują warunki, jakie panowały w kosmosie, zanim powstały gwiazdy i planety. Badania te potwierdzają więc, że metan, który znajdujemy na planetach takich jak Uran i Neptun, był prawdopodobnie obecny we Wszechświecie na długo przed powstaniem naszego Układu Słonecznego.

Naukowcy opublikowali swe odkrycie w poniedziałek rano w prestiżowym czasopiśmie Nature Astronomy.


Czytaj więcej:


Źródło: Nature/Astronomie.nl

Opracowanie: Elżbieta Kuligowska

Na zdjęciu: Instrument Surfreside-3 działający na Uniwersytecie w holenderskiej Lejdzie. Dzięki niemu naukowcy wytworzyli lód metanowy na powierzchniach ziaren pyłu, w warunkach, które mają zastosowanie w badaniach chemii międzygwiezdnych obłoków molekularnych: przy minus 263 stopniach Celsjusza (10 K) i w środowisku ultra wysokiej próżni. Źródło: 2020 LfA / Leiden Observatory.