Об открытии того, что кометы производят газообразный кислород, также называемый молекулярным кислородом или O2, было объявлено в 2015 году исследователями, изучающими комету 67P / Чурюмова-Герасименко с помощью космического корабля Rosetta Европейского космического агентства. Миссия неожиданно обнаружила изобилие молекулярного кислорода в атмосфере кометы. Молекулярный кислород в космосе очень нестабилен, так как кислород предпочитает образовывать пары с водородом для образования воды или с углеродом для образования углекислого газа.
Действительно, O2 был обнаружен только дважды в космосе в звездообразующих туманностях.Ученые предположили, что молекулярный кислород на комете 67P / Чурюмова-Герасименко мог оттаять с ее поверхности после того, как он был заморожен внутри кометы с момента зарождения Солнечной системы 4,6 миллиарда лет назад. Но вопросы остаются, потому что некоторые ученые говорят, что кислород должен был реагировать с другими химическими веществами все это время.Профессор химической инженерии в Калифорнийском технологическом институте Константинос П. Джапис начал изучать данные Розетты, потому что химические реакции, происходящие на поверхности кометы, были аналогичны тем, которые он проводил в лаборатории в течение последних 20 лет.
Джапис изучает химические реакции с участием высокоскоростных заряженных атомов или ионов, сталкивающихся с полупроводниковыми поверхностями, как средство создания более быстрых компьютерных микросхем и больших цифровых запоминающих устройств для компьютеров и телефонов.«Я начал интересоваться космосом и искал места, где ионы будут ускоряться относительно поверхностей», — говорит Гиапис. «После того, как я посмотрел на измерения, сделанные на комете Розетты, в частности, относительно энергии молекул воды, ударяющих по комете, все щелкнуло. То, что я изучал в течение многих лет, происходит прямо здесь, на этой комете».В новом исследовании Nature Communications Зиапис и его соавтор, научный сотрудник Юньси Яо, демонстрируют в лаборатории, как комета может производить кислород.
По сути, молекулы водяного пара стекают с кометы, когда космическое тело нагревается солнцем. Молекулы воды ионизируются или заряжаются ультрафиолетовым светом Солнца, а затем солнечный ветер сдувает ионизированные молекулы воды обратно к комете.
Когда молекулы воды ударяются о поверхность кометы, которая содержит кислород, связанный с такими материалами, как ржавчина и песок, молекулы улавливают другой атом кислорода с этих поверхностей, и образуется O2.Другими словами, новое исследование предполагает, что молекулярный кислород, обнаруженный Розеттой, не обязательно должен быть первичным, но может производиться на комете в реальном времени.«Мы экспериментально показали, что возможно динамическое образование молекулярного кислорода на поверхности материалов, подобных тем, которые обнаружены на комете», — говорит Яо.
«Когда мы создавали наши лабораторные установки, мы понятия не имели, что их можно будет применить к астрофизике комет», — говорит Джиапис. "Этот оригинальный химический механизм основан на редко рассматриваемом классе реакций Эли-Ридила, которые происходят, когда быстро движущиеся молекулы, в данном случае вода, сталкиваются с поверхностями и извлекают находящиеся там атомы, образуя новые молекулы. Все необходимые условия для этого на комете 67P существуют реакции ».Другие астрофизические тела, такие как планеты за пределами нашей солнечной системы или экзопланеты, также могут производить молекулярный кислород с аналогичным «абиотическим» механизмом — без потребности в жизни. Это может повлиять на то, как исследователи будут искать признаки жизни на экзопланетах в будущем.
«Кислород — важная молекула, которая очень неуловима в межзвездном пространстве», — говорит астроном Пол Голдсмит из Лаборатории реактивного движения, которой управляет Калифорнийский технологический институт для НАСА. Голдсмит является научным сотрудником проекта НАСА для миссии Гершеля Европейского космического агентства, которая провела первое подтвержденное обнаружение молекулярного кислорода в космосе в 2011 году. «Этот производственный механизм, изученный в лаборатории профессора Джаписа, может работать в различных средах и показывает важную связь между лабораторными исследованиями и астрохимией ».