Loin de la Terre, dans les vastes étendues d’espace entre les étoiles, existe un trésor de carbone. Là, dans ce que les scientifiques appellent le « milieu interstellaire, » vous pouvez trouver une large gamme de molécules organiques, depuis les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) en forme de nid d'abeilles jusqu'aux sphères de carbone en forme de ballons de football.
Dans une nouvelle étude, une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques de l’Université du Colorado à Boulder a utilisé des expériences sur Terre pour recréer la chimie au plus profond de l’espace. Les résultats du groupe pourraient avoir révélé des étapes clés dans les processus qui façonnent ces molécules organiques au fil du temps.
Les résultats pourraient révéler des informations sur les éléments constitutifs qui formaient autrefois le système solaire terrestre, a déclaré Jordy Bouwman, auteur principal de l'étude. Il y a des milliards d’années, des nuages de matière similaires se sont condensés pour former les graines de ce qui allait devenir notre propre soleil et ses planètes.
« Nous sommes tous constitués de carbone, il est donc très important de savoir comment le carbone dans l'univers se transforme avant d'être incorporé dans un système planétaire comme notre propre système solaire. » a déclaré Bouwman, professeur adjoint au Département de chimie et scientifique au Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP) de CU Boulder.
La recherche, publiée récemment dans le Journal de l'American Chemical Societymet en lumière la formation d’une classe de molécules appelées fullerènes.
Les fullerènes sont constitués d'atomes de carbone organisés en forme de cage fermée. L’exemple le plus célèbre est le Buckminsterfullerene, ou Buckyball, qui tire son nom du célèbre futuriste Richard Buckminster Fuller. Ces molécules comprennent 60 atomes de carbone en forme de sphère et ressemblent étrangement à un ballon de football réglementaire de la FIFA.
Les fullerènes, y compris les buckyballs, flottent librement dans le milieu interstellaire. Mais les scientifiques ont longtemps eu du mal à expliquer d’où ils viennent et comment ils se forment.
La nouvelle étude suggère que les rayonnements dans l’espace pourraient contribuer à transformer les HAP en fullerènes.
« Cela nous donne une idée que les buckyballs que nous trouvons dans l'espace pourraient être liés à ces grosses molécules aromatiques qui sont également abondantes, » » a déclaré Bouwman.
Chimie spatiale, sur Terre
Le groupe a simulé la chimie dans l’espace en étudiant deux petites molécules de HAP appelées anthracène et phénanthrène.
Les HAP sont constitués d’atomes de carbone disposés en une série d’hexagones, un peu comme un nid d’abeilles. Ils sont abondants sur Terre où vous pouvez les trouver dans la fumée, la suie et d'autres matériaux carbonisés.
« Si vous mettez votre steak sur le gril trop longtemps et qu'il devient noir, cela contient des HAP, » » a déclaré Bouwman. « Ils sont un mauvais sous-produit de la combustion. »
Tout d’abord, les chercheurs ont bombardé les deux HAP avec un faisceau d’électrons. C'est similaire à ce qui se produit lorsque le rayonnement dans l'espace interagit avec les molécules du milieu interstellaire.
Ce bombardement a transformé les HAP en nouvelles molécules organiques chargées. Les chercheurs ont ensuite introduit les produits dans un appareil de piège à ions dans une installation scientifique appelée Free Electron Lasers for Infrared eXperiments (FELIX). Ce centre de recherche national unique en son genre est situé à Nimègue aux Pays-Bas et comprend plusieurs lasers répartis dans une grande salle au sous-sol. Grâce à ces lasers, les chercheurs ont pu sonder avec précision la structure de leurs nouvelles molécules.
Ils ont été surpris en voyant les résultats.
Faire des Buckyballs
Bouwman a expliqué que lorsque l'équipe a frappé l'anthracène et le phénanthrène avec des électrons, les molécules ont perdu un ou deux de leurs atomes d'hydrogène.
Ce faisant, ils ont également radicalement modifié leurs structures, comme démonter un château en Lego et construire une nouvelle structure. Au lieu de simplement inclure des hexagones, les produits résultants contenaient désormais des atomes de carbone disposés en forme d'hexagones et de pentagones.
Cette réaction radicale n’avait jamais été vue auparavant, a déclaré Bouwman. Il n’est pas clair si ces types de molécules portant un pentagone sont également courants dans l’espace.
« C'était un résultat très surprenant : simplement en émettant un ou deux atomes d'hydrogène, la molécule entière était complètement réorganisée, » a déclaré Sandra Brünken, co-auteur de l'étude, professeure agrégée à l'Université Radboud et chef de groupe à FELIX.
Les résultats ont été révélateurs, en partie parce que ces types de molécules sont également très faciles à replier. (Imaginez simplement un ballon de football composé d’un mélange d’hexagones et de pentagones).
En d’autres termes, ces molécules portant un pentagone pourraient être le chaînon manquant pour convertir les HAP courants en buckyballs et autres fullerènes.
Bouwman et Brünken espèrent que les astrophysiciens en prendront note. Les scientifiques pourraient utiliser les découvertes de l'équipe pour voir si des molécules similaires portant un pentagone existent dans les profondeurs de l'espace, à l'aide d'outils tels que le télescope spatial James Webb, le télescope le plus puissant jamais lancé.
« Vous pouvez récupérer nos résultats en laboratoire, puis les utiliser comme empreinte digitale pour rechercher les mêmes signatures dans l'espace, » » dit Brünken.
Les co-auteurs de la nouvelle étude de CU Boulder comprennent Madison Patch et Rory McClish, étudiants diplômés du LASP. Parmi les autres co-auteurs figurent des scientifiques de l’Université Radboud ; l'Université de Leiden aux Pays-Bas ; Université Paris-Est Créteil en France ; et le College Park de l'Université du Maryland.
