Wer sind wir? Warum sind wir hier? Wie es in dem Song von Crosby, Stills, Nash & Young heißt, sind wir Sternenstaub, das Ergebnis chemischer Vorgänge in riesigen Wolken aus interstellarem Gas und Staub. Um besser zu verstehen, wie diese chemischen Vorgänge präbiotische Moleküle – die Keime des Lebens auf der Erde und möglicherweise anderswo – hervorbringen könnten, haben Forscher die Rolle niederenergetischer Elektronen untersucht, die entstehen, wenn kosmische Strahlung Eispartikel durchdringt. Ihre Erkenntnisse könnten auch medizinische und ökologische Anwendungen auf unserem Heimatplaneten voranbringen.
Der Student Kennedy Barnes wird die Ergebnisse des Teams auf der Herbsttagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen. ACS Herbst 2024 ist ein Hybridtreffen, das vom 18. bis 22. August virtuell und persönlich stattfindet; es umfasst etwa 10.000 Präsentationen zu einer Reihe von wissenschaftlichen Themen.
„Die erste Entdeckung von Molekülen im Weltraum gelang vor über hundert Jahren der Wellesley College-Absolventin Annie Jump Cannon“, sagt Barnes, die diese Studie am Wellesley College gemeinsam mit ihrem Kommilitonen Rong Wu leitete und von Chemieprofessor Christopher Arumainayagam und Physikprofessor James Battat betreut wurde. Seit Cannons Entdeckung sind Wissenschaftler daran interessiert, herauszufinden, wie außerirdische Moleküle entstehen.
„Unser Ziel ist es, die relative Bedeutung von Elektronen mit niedriger Energie im Vergleich zu Photonen bei der Auslösung der chemischen Reaktionen zu untersuchen, die für die extraterrestrische Synthese dieser präbiotischen Moleküle verantwortlich sind“, erklärt Barnes.
Die wenigen Studien, die sich bisher mit dieser Frage beschäftigten, legten nahe, dass sowohl Elektronen als auch Photonen dieselben Reaktionen katalysieren können. Studien von Barnes und Kollegen deuten jedoch darauf hin, dass die Ausbeute an präbiotischen Molekülen aus niederenergetischen Elektronen und Photonen im Weltraum erheblich unterschiedlich sein könnte.
„Unsere Berechnungen legen nahe, dass die Zahl der durch kosmische Strahlung induzierten Elektronen im kosmischen Eis viel größer sein könnte als die Zahl der Photonen, die auf das Eis treffen“, erklärt Barnes. „Daher spielen Elektronen bei der extraterrestrischen Synthese präbiotischer Moleküle wahrscheinlich eine bedeutendere Rolle als Photonen.“
Außer im kosmischen Eis hat ihre Forschung zu niederenergetischen Elektronen und zur Strahlungschemie auch potenzielle Anwendungen auf der Erde. Barnes und ihre Kollegen untersuchten kürzlich die Radiolyse von Wasser und fanden Hinweise auf die durch Elektronen angeregte Freisetzung von Wasserstoffperoxid und Hydroperoxylradikalen, die stratosphärisches Ozon zerstören und als schädliche reaktive Sauerstoffspezies in Zellen wirken.
„Viele unserer Forschungsergebnisse zur Wasserradiolyse könnten in medizinischen Anwendungen und medizinischen Simulationen eingesetzt werden“, bemerkt Barnes und nennt als Beispiel den Einsatz hochenergetischer Strahlung zur Behandlung von Krebs. „Einmal sagte mir ein Biochemieprofessor, dass Menschen im Grunde genommen aus Wasser bestehen. Andere Wissenschaftler untersuchen daher, wie sich im Wasser produzierte Elektronen mit niedriger Energie auf unsere DNA-Moleküle auswirken.“
Sie sagt außerdem, dass die Erkenntnisse des Teams auf Umweltsanierungsbemühungen anwendbar seien, bei denen Abwasser mit energiereicher Strahlung behandelt wird, die große Mengen niederenergetischer Elektronen erzeugt, die vermutlich für die Zerstörung gefährlicher Chemikalien verantwortlich sind.
Zurück zur Weltraumchemie: Um die Synthese präbiotischer Moleküle besser zu verstehen, beschränkten sich die Forscher nicht auf mathematische Modelle, sondern testeten ihre Hypothese auch, indem sie die Bedingungen des Weltraums im Labor nachahmten. Sie verwendeten eine Hochvakuumkammer mit einem Substrat aus ultrareinem Kupfer, das sie auf ultraniedrige Temperaturen abkühlen konnten, sowie eine Elektronenkanone, die niederenergetische Elektronen erzeugt, und eine lasergetriebene Plasmalampe, die niederenergetische Photonen produzierte. Anschließend bombardierten die Wissenschaftler nanometergroße Eisfilme mit Elektronen oder Photonen, um zu sehen, welche Moleküle dabei entstehen.
„Wir haben uns bisher darauf konzentriert, wie sich diese Forschung auf interstellare submikrone Eispartikel anwenden lässt, sie ist aber auch für kosmisches Eis in einem viel größeren Maßstab relevant, wie etwa für das Eis des Jupitermondes Europa, der eine 32 Kilometer dicke Eisschicht besitzt“, sagt Barnes.
Sie meint daher, dass ihre Forschung Astronomen helfen wird, Daten von Weltraumerkundungsmissionen wie dem James Webb-Weltraumteleskop der NASA sowie dem Europa Clipper zu verstehen, dessen Start ursprünglich für Oktober 2024 geplant war. Barnes hofft, dass ihre Erkenntnisse andere Forscher dazu inspirieren werden, niederenergetische Elektronen in ihre Astrochemiemodelle einzubauen, die simulieren, was im kosmischen Eis geschieht.
Barnes und seine Kollegen variieren außerdem die molekulare Zusammensetzung von Eisfilmen und erforschen Atomadditionsreaktionen, um herauszufinden, ob Elektronen mit niedriger Energie andere präbiotische chemische Prozesse erzeugen können. Diese Arbeit wird in Zusammenarbeit mit Forschern des Labors für das Studium von Strahlung und Materie in Astrophysik und Atmosphären in Frankreich durchgeführt.
„Wir stehen kurz davor, eine Menge zu lernen, was ich wirklich aufregend und interessant finde“, sagt Barnes und preist das an, was sie als neues Weltraumzeitalter beschreibt.