Polycyclic aromatic hydrocarbons in samples of Ryugu formed in the interstellar medium

08 March 2024 par clavaguera
Roland Thissen, groupe CAPRI, est co-auteur d'un article publié récemment dans Science

Lien vers l'article dans Science

Le carbone est la pierre angulaire de la vie biologique sur Terre. L’élément est présent dans de nombreux composés, tels que les sucres, les protéines et les molécules de glucides qui composent des animaux aux plantes en passant par les bactéries.

Des molécules particulières à base de carbone, appelée hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), sont à la fois omniprésentes sur Terre et abondantes dans l’espace. Les astronomes ont observé des signaux de ces molécules dans l'espace entre les étoiles et estiment que les HAP constituent un pourcentage important de tout le carbone de la Voie lactée et d'autres galaxies. Comprendre où et comment se forment les HAP astronomiques est crucial pour comprendre comment cet important élément biologique a trouvé son chemin vers la Terre, mais il existe de nombreuses théories concernant les environnements qui peuvent former des HAP dans l'espace.

Une nouvelle étude menée par Caltech examinant les HAP extraits d’échantillons renvoyés de l’astéroïde (162173) Ryugu trouve la première preuve à l’appui de la théorie selon laquelle les HAP se sont formés dans des nuages moléculaires froids dans l’espace interstellaire. La recherche a nécessité de nouvelles techniques de chimie analytique développées à Caltech par la chercheuse postdoctorale Sarah Zeichner, première auteure de l'étude, dans le laboratoire de John Eiler de géologie et de géochimie.

Les nuages ​​moléculaires sont des régions de gaz très froides dans l’espace interstellaire, s’étendant sur des milliards de kilomètres de diamètre. Leurs températures glaciales, qui descendent jusqu'à quelques Kelvins, impliquent qu'il n'y a pas beaucoup d'énergie pour générer des réactions chimiques. Les HAP sont des molécules relativement grosses, donc s’ils se forment dans des nuages moléculaires froids, comme certaines théories le suggèrent, leur formation doit se produire par des réactions chimiques qui nécessitent une énergie thermique minimale ou qui sont favorisées par l’absorption de l’énergie de la lumière.

La majeure partie du carbone sur Terre est constituée de l'isotope commun carbone 12. Cependant, une petite fraction du carbone terrestre  est connue sous le nom de carbone 13. Le neutron supplémentaire rend le carbone 13 plus lourd que le carbone 12 ; Il est important de noter que lorsque des liaisons chimiques sont formées avec le carbone 13, l’énergie globale du système moléculaire est réduite, ce qui est préféré dans les environnements froids et à faible énergie tels que les nuages ​​moléculaires. De même, deux atomes de carbone 13 liés ensemble, créant ce que l'on appelle des « amas » isotopiques, sont encore plus énergiquement préférés dans de tels environnements. Ainsi, si les HAP se formaient dans un environnement à faible énergie comme un nuage moléculaire froid, les chercheurs s'attendent à y voir un excès d'amas de carbone 13, par rapport à la quantité d'amas attendue pour les HAP formés dans des environnements à haute énergie, tels que les régions autour des étoiles.

En 2020, la mission Hayabusa2 de l'agence spatiale japonaise a renvoyé cinq grammes d'échantillons de l'astéroïde Ryugu. Sept milligrammes de ces échantillons ont été affectés à l’étude de molécules carbonées, également appelées molécules organiques. Zeichner a développé une méthode unique pour cette étude. Elle utilise l'Orbitrap, une technologie émergente dans l'étude des propriétés isotopiques, et a adapté les méthodes récemment développées pour pouvoir observer les propriétés isotopiques des HAP en très faible abondance. À l’aide de ces nouveaux outils analytiques, Zeichner a déterminé que les HAP isolés de l’astéroïde contenaient des excès d’amas de carbone 13, fournissant ainsi la première preuve quantitative que des HAP pourraient s’être formés dans les régions froides et à faible énergie de l’espace interstellaire. Roland Thissen a développé des protocoles analytiques et des méthodes informatiques de réduction de données en lien avec la spectrométrie de masse à haute résolution Orbitrap. C'est par suite de ces travaux qu'il a pu intégrer le groupe de travail, à l'origine des mesures de Zeichner.

L'astéroïde Ryugu appartient à une classe particulière de roches spatiales représentatives de la composition d'un système solaire moyen, et donne ainsi des indices sur l'environnement dans lequel se sont formées la Terre et les autres planètes de notre système solaire, et aussi, éventuellement, ceux des planètes. autour d'autres étoiles ressemblant à notre soleil.

credit "Sarah Zeichner, Caltech"