DESY: Kozmická chémia v laboratóriu

Polycyklické aromatické uhľovodíky (PAH) sú zlúčeniny pozostávajúce z uhlíkových kruhov (čierne) s rôznym počtom pripojených atómov vodíka (sivé). Infračervené pozorovania ukazujú, že tieto molekuly sú vo vesmíre všadeprítomné. Zdroj: DESY

Pomocou lasera FLASH s voľnými elektrónmi Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, národného výskumného centra v Nemecku, vedci v laboratóriu znovu vytvorili drsné prostredie medzihviezdneho priestoru a analyzovali reakciu astrochemických molekúl na tieto podmienky. Výsledky ukazujú komplexný obraz dynamiky polycyklických aromatických uhľovodíkov (PAH) pod extrémnym ultrafialovým žiarením vo vákuu – pripomínajúcom kozmické prostredie medzi hviezdami našej galaxie, Mliečnej dráhy. Ako uviedol medzinárodný tím pod vedením vedcov DESY Bastiana Manschwetusa a Melanie Schnellovej, výsledky podporujú pochopenie organickej chémie vo vesmíre. Ich štúdia bola publikovaná v odbornom časopise Nature Communications a je uvedená v novej správe DESY Photon Science 2021.

Organická chémia je reakcia, zloženie a vlastnosti molekúl obsahujúcich uhlík (C). Je to obzvlášť dôležité pre chémiu života. PAU sú dôležitou skupinou organických zlúčenín, ktoré pozostávajú z uhlíka a vodíka (H). Ako vysvetlil Jason Lee z DESY, jeden z hlavných autorov článku: „Polycyklické aromatické uhľovodíky sa nachádzajú takmer v každom kúte vesmíru a predstavujú až 20 % všetkého uhlíka vo vesmíre. Tieto molekuly hrajú dôležitú úlohu v medzihviezdnej chémii, okrem iného poskytujú reakčné povrchy, agregujú sa do väčších druhov, ako sú fullerény, a fragmentujú sa na stavebné bloky pre iné organické molekuly.“ Naša práca sa zameriava na pochopenie reakčnej dynamiky PAH po interakcii s ionizujúcim žiarením nachádzajúcim sa v medzihviezdnom priestore.

Vedci skúmali reakciu troch malých PAH fluorénu (C13H10), fenantrénu (C14H10) a pyrénu (C16H10) na extrémne ultrafialové (XUV) žiarenie z lasera FLASH s voľnými elektrónmi DESY. Záblesky XUV boli naladené na vlnovú dĺžku 30,3 nanometrov, čo zodpovedá dôležitej emisnej čiare hélia v medzihviezdnom priestore. Pre porovnanie: viditeľné svetlo má vlnové dĺžky medzi 400 a 800 nanometrami.

Extrémne ultrafialové fotóny môžu vyraziť až tri elektróny z molekuly PAH, čo vedie k vysoko ionizovanému stavu. So špecializovaným nástrojom, koncovou stanicou CAMP a superrýchlou kamerou PImMS, by tím mohol rozlúštiť komplexnú dynamiku fragmentácie a ionizácie molekúl. Analýza ukazuje, že všetky skúmané PAH reagujú extrémne rýchlo po absorpcii vysokoenergetického žiarenia, pričom energiu prerozdeľujú do pohybu atómu za oveľa menej ako pikosekundu (bilióntinu sekundy). Vedci tieto procesy zhŕňajú pod pojem relaxácia. Najmodernejší teoretický výpočet predpovedá relaxáciu v rovnakom časovom rámci.

Podľa údajov majú dvojnásobne ionizované molekuly PAH – takzvané dikácie, kde boli dva elektróny vyrazené z molekuly fotónom XUV – silnú preferenciu rozdeliť sa na dva fragmenty, z ktorých každý nesie jeden elektrický náboj (preto sa nazývajú monokatióny). Označenia tiež ukázali preferenciu fragmentácie na dva monokatióny sprevádzané neutrálnou stratou dvoch atómov uhlíka (C2). Toto je obzvlášť zaujímavé, pretože v prvom rade odzrkadľuje navrhovaný mechanizmus tvorby PAH, kde sa molekuly acetylénu pridávajú postupne. Acetylén je jednoduchá molekula so vzorcom C2H2. Experimenty tiež zaznamenali fragmentáciu z trojnásobne nabitých molekúl PAH, ktorá bude uvedená v nasledujúcom článku.

Ako uviedol Lee: „Naše výsledky ukazujú, že ultrarýchla relaxácia môže byť všadeprítomná medzi polycyklickými aromatickými uhľovodíkmi:“ Ďalšie experimenty vykonané na FLASH v roku 2021 s novým súborom PAH majú potvrdiť toto pozorovanie. Tieto experimenty poskytujú cenné poznatky o interakcii týchto hojných molekúl PAH s medzihviezdnym žiarením a odhaľujú produkty, ktoré by sa vytvorili vo vesmíre. Tieto ióny a fragmenty tvoria stavebné kamene pre ďalšie molekuly, ktoré formujú organickú chémiu vesmíru.

K tomuto výskumu prispeli vedci z univerzít v Oxforde, Kieli, Lunde, Göteborgu, Hamburgu, Amsterdame, Göttingene, z Radboudovej univerzity v Nijmegene, Petrohradskej štátnej univerzity, Kansaskej štátnej univerzity, Vrije Universiteit Amsterdam, European XFEL a DESY.

Viac informácií:

Time-Resolved Relaxation and Fragmentation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Investigated in the Ultrafast XUV-IR Regime; J. W. L. Lee, D. S. Tikhonov, et al.; Nature Communications, 2021; DOI: 10.1038/s41467-021-26193-z

PHOTON SCIENCE 2021-Highlights and Annual Report