Qui sommes-nous ? Pourquoi sommes-nous ici ? Comme le suggère la chanson de Crosby, Stills, Nash & Young, nous sommes de la poussière d’étoiles, le résultat de la chimie qui se produit dans de vastes nuages de gaz et de poussière interstellaires. Pour mieux comprendre comment cette chimie pourrait créer des molécules prébiotiques – les germes de la vie sur Terre et peut-être ailleurs –, des chercheurs ont étudié le rôle des électrons de faible énergie créés lorsque le rayonnement cosmique traverse des particules de glace. Leurs découvertes pourraient également éclairer les applications médicales et environnementales sur notre planète.
L’étudiant de premier cycle Kennedy Barnes présentera les résultats de l’équipe lors de la réunion d’automne de l’American Chemical Society (ACS). AEC Automne 2024 est une réunion hybride qui se tient virtuellement et en personne du 18 au 22 août ; elle comprend environ 10 000 présentations sur une gamme de sujets scientifiques.
« La première détection de molécules dans l’espace a été réalisée par Annie Jump Cannon, une ancienne élève du Wellesley College, il y a plus de cent ans », explique Barnes, qui a dirigé cette étude avec Rong Wu, une autre étudiante de premier cycle, sous la direction du professeur de chimie Christopher Arumainayagam et du professeur de physique James Battat. Depuis la découverte de Cannon, les scientifiques s’intéressent à la façon dont se forment les molécules extraterrestres.
« Notre objectif est d’explorer l’importance relative des électrons de faible énergie par rapport aux photons dans le déclenchement des réactions chimiques responsables de la synthèse extraterrestre de ces molécules prébiotiques », explique Barnes.
Les quelques études qui ont déjà sondé cette question suggéraient que les électrons et les photons pouvaient catalyser les mêmes réactions. Les études menées par Barnes et ses collègues suggèrent cependant que le rendement en molécules prébiotiques des électrons et des photons de faible énergie pourrait être sensiblement différent dans l’espace.
« Nos calculs suggèrent que le nombre d’électrons induits par les rayons cosmiques dans la glace cosmique pourrait être bien supérieur au nombre de photons frappant la glace », explique Barnes. « Par conséquent, les électrons jouent probablement un rôle plus important que les photons dans la synthèse extraterrestre des molécules prébiotiques. »
Outre la glace cosmique, ses recherches sur les électrons à faible énergie et la chimie des rayonnements ont également des applications potentielles sur Terre. Barnes et ses collègues ont récemment étudié la radiolyse de l’eau, découvrant des preuves de la libération stimulée par les électrons de peroxyde d’hydrogène et de radicaux hydroperoxyles, qui détruisent l’ozone stratosphérique et agissent comme des espèces réactives de l’oxygène nuisibles dans les cellules.
« De nombreux résultats de nos recherches sur la radiolyse de l’eau pourraient être utilisés dans des applications médicales et des simulations médicales », note Barnes, citant l’exemple de l’utilisation de rayonnements à haute énergie pour traiter le cancer. « Un jour, un professeur de biochimie m’a dit que les humains étaient en fait des sacs d’eau. D’autres scientifiques étudient donc comment les électrons à faible énergie produits dans l’eau affectent nos molécules d’ADN. »
Elle affirme également que les conclusions de l’équipe sont applicables aux efforts d’assainissement de l’environnement où les eaux usées sont traitées avec un rayonnement à haute énergie, qui produit un grand nombre d’électrons à faible énergie qui sont supposés être responsables de la destruction de produits chimiques dangereux.
Pour en revenir à la chimie spatiale, les chercheurs n’ont pas limité leurs efforts à la modélisation mathématique pour tenter de mieux comprendre la synthèse des molécules prébiotiques. Ils ont également testé leur hypothèse en reproduisant les conditions de l’espace en laboratoire. Ils ont utilisé une chambre à vide ultra-élevé contenant un substrat de cuivre ultra-pur qu’ils peuvent refroidir à des températures ultra-basses, ainsi qu’un canon à électrons qui produit des électrons de faible énergie et une lampe à plasma à commande laser qui produit des photons de faible énergie. Les scientifiques bombardent ensuite des films de glace à l’échelle nanométrique avec des électrons ou des photons pour voir quelles molécules sont produites.
« Bien que nous nous soyons déjà concentrés sur la manière dont cette recherche est applicable aux particules de glace submicroniques interstellaires, elle est également pertinente pour la glace cosmique à une échelle beaucoup plus grande, comme celle de la lune Europe de Jupiter, qui possède une coquille de glace de 20 miles d’épaisseur », explique Barnes.
Ainsi, elle suggère que leurs recherches aideront les astronomes à comprendre les données des missions d’exploration spatiale telles que le télescope spatial James Webb de la NASA ainsi que l’Europa Clipper, dont le lancement était initialement prévu en octobre 2024. Barnes espère que leurs découvertes inspireront d’autres chercheurs à incorporer des électrons de faible énergie dans leurs modèles d’astrochimie qui simulent ce qui se passe dans les glaces cosmiques.
Barnes et ses collègues font également varier la composition moléculaire des films de glace et étudient les réactions d’addition d’atomes pour voir si les électrons de faible énergie peuvent produire d’autres chimies prébiotiques. Ces travaux sont réalisés en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères en France.
« Nous sommes sur le point d’apprendre beaucoup de choses, ce qui, je pense, est vraiment passionnant et intéressant », déclare Barnes, vantant ce qu’elle décrit comme un nouvel âge spatial.