Έλληνας επιστήμονας βρήκε εξήγηση γιατί οι κομήτες παράγουν αέριο οξυγόνο. Caltech Chemical Engineer Explains Oxygen Mystery on Comets

O Κωνσταντίνος Γιαπής και ο συνεργάτης του Yunxi Yao έδειξαν πειραματικά πως παράγεται μοριακό οξυγόνο στην επιφάνεια των κομητών. Ρίχνοντας μόρια νερού (αριστερά) με μεγάλη ταχύτητα σε επιφάνειες από οξείδια του πυριτίου και σιδήρου παρατήρησαν την παραγωγή οξυγόνου. Τα άτομα του οξυγόνου στην εικόνα παριστάνονται με κόκκινο χρώμα και του υδρογόνου με μπλε. Σύμφωνα με τον Γιαπή παρόμοιες συνθήκες υπάρχουν στον κομήτη 67P/Churyumov–Gerasimenko, όπου το διαστημικό σκάφος Rosetta ανίχνευσε μοριακό οξυγόνο. Konstantinos Giapis has shown how molecular oxygen may be produced on the surface of comets using lab experiments. He and his postdoctoral scholar Yunxi Yao fired high-speed water molecules (left) at oxidized silicon and iron surfaces, observing the production of a plume that included molecular oxygen. Oxygen atoms are red, and hydrogen, blue. Giapis says similar conditions exist on the comet 67P/Churyumov–Gerasimenko, where the European Space Agency's Rosetta mission detected molecular oxygen. Credit: Caltech

Οι κομήτες -όπως και τα δέντρα- «εκπνέουν» οξυγόνο γύρω τους. Μέχρι σήμερα οι επιστήμονες δεν ήσαν σίγουροι γιατί αυτό συμβαίνει, αλλά ένας Έλληνας χημικός μηχανικός της διασποράς έχει πλέον βρει μια πειστική εξήγηση, η οποία μάλιστα έχει σημαντικές προεκτάσεις και επιπτώσεις για την αστροβιολογία και την αναζήτηση ζωής σε εξωπλανήτες.

Κάνοντας εργαστηριακά πειράματα σε συνθήκες που προσομοιάζουν στο διάστημα, ο καθηγητής Κωνσταντίνος Γιαπής του Τμήματος Χημείας και Χημικών Μηχανικών του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας (Caltech) έδειξε με ποιον τρόπο το μοριακό οξυγόνο (οξυγόνο σε αέρια μορφή) μπορεί να παραχθεί στην επιφάνεια των κομητών.

Η πρώτη φορά που ανακαλύφθηκε μοριακό οξυγόνο σε κομήτη, ήταν το 2015 από τους ερευνητές που μελέτησαν τα στοιχεία, τα οποία συνέλλεξε η διαστημοσυσκευή «Ροζέτα» του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) κατά την παρατεταμένη μελέτη του κομήτη 67Ρ/Τσουριούμοφ-Γκερασιμένκο.

Η «Ροζέτα» ανίχνευσε απρόσμενα μεγάλες ποσότητες αερίου οξυγόνου στην ατμόσφαιρα του κομήτη. Το μοριακό (αέριο) οξυγόνο είναι πολύ ασταθές, επειδή συνήθως ενώνεται με το υδρογόνο για να σχηματίσει νερό ή με τον άνθρακα για να δημιουργήσει διοξείδιο του άνθρακα. Πριν τον κομήτη 67/Ρ, αέριο οξυγόνο στο διάστημα είχε ανιχνευθεί μόνο δύο φορές σε νεφελώματα που παράγουν άστρα.

Η βασική υπόθεση των επιστημόνων ήταν έως τώρα ότι το μοριακό οξυγόνο στον κομήτη είναι αρχέγονο, δηλαδή βρίσκεται στο εσωτερικό του από το ξεκίνημα του ηλιακού μας συστήματος πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια και απλώς κάποια στιγμή, όταν η επιφάνεια του κομήτη σιγά-σιγά ξεπαγώνει, αυτό διαφεύγει στην ατμόσφαιρα.

Όμως ο Γιαπής, που έκανε τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Nature Communications» [Dynamic molecular oxygen production in cometary comae], δείχνει ότι μπορεί να συμβαίνει κάτι άλλο και το οξυγόνο να είναι «φρέσκο». Καθώς ο κομήτης θερμαίνεται από τον Ήλιο, αποβάλλει μόρια υδρατμών, τα οποία ιονίζονται από την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία. Στη συνέχεια ο ηλιακός «άνεμος» ωθεί τα ιονισμένα μόρια των υδρατμών πίσω, με αποτέλεσμα αυτά να προσκρούουν πάνω την επιφάνεια του κομήτη, η οποία περιέχει χημικά δεσμευμένο (όχι αέριο) οξυγόνο. Κατά την πρόσκρουση, τα μόρια των υδρατμών προσλαμβάνουν άλλο ένα άτομο οξυγόνου και έτσι τελικά σχηματίζεται το μοριακό (αέριο) οξυγόνο.

Η σημασία αυτής της εξήγησης είναι ότι το μοριακό οξυγόνο που η «Ροζέτα» έχει βρει πάνω στον κομήτη, μπορεί κάλλιστα να παράγεται σε πραγματικό χρόνο επί τόπου και να μην είναι πανάρχαιο, όπως είχαν υποθέσει άλλοι επιστήμονες.

Όπως δήλωσε ο κ. Γιαπής, «η εχθρική κόμη του κομήτη είναι ένα δυναμικό περιβάλλον χημικών αντιδράσεων, ικανό να συνθέσει μόρια που τυπικά σχετίζονται με την παρουσία της ζωής και να το κάνει με πλήρως αβιοτικούς τρόπους. Η ανακάλυψη αυτή έχει συνέπειες για την αναζήτηση εξωγήινης ζωής, ιδιαίτερα πρέπει να αναθεωρηθούν οι σχετικοί βιοδείκτες που οι επιστήμονες αναζητούν στα ουράνια σώματα».

Η έμπνευση από τη «Ροζέτα»

Εικόνα τμήματος του κομήτη 67P που λήφθηκε από τη Rosetta στις 6 Αυγούστου, από απόσταση 120 km. H ανάλυση της εικόνας είναι 2.2 μέτρα ανά pixel. Image of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko taken by the Rosetta spacecraft. This image has been enhanced to bring out the details of the comet's activity. Credit: ESA/Rosetta/NAVCAM, CC BY-SA IGO 3.0

«Η νέα έρευνα» τόνισε ο κ. Γιαπής «ανοίγει νέους δρόμους για την εκμετάλλευση της διαστημικής χημείας, προκειμένου να υπάρξει επιτόπια αξιοποίηση πόρων στη διάρκεια των μελλοντικών διαπλανητικών ταξιδιών. Και πρέπει να σημειώσω ότι οι εξωτικές αντιδράσεις που ‘καθοδηγούν’ μια τέτοια χημεία, δεν θα είχαν ανακαλυφθεί χωρίς την έμπνευση από την αποστολή της Ροζέτα».

Όπως δήλωσε, οι ίδιες χημικές αντιδράσεις που εδώ και 20 χρόνια μελετά στη Γη, μπορεί να λαμβάνουν χώρα και σε έναν κομήτη. Όπως είπε, «άρχισα να ενδιαφέρομαι για το διάστημα, ψάχνοντας για μέρη όπου τα ιόντα μπορούν να επιταχύνονται και να συγκρούονται με επιφάνειες. Μελετώντας τις μετρήσεις για τον κομήτη της Ροζέτα και ιδίως αυτές που αφορούσαν τις ενέργειες των μορίων των υδρατμών που πέφτουν πάνω στην επιφάνειά του, ξαφνικά μου έκανε ‘κλικ’. Συνειδητοποίησα πως αυτό που μελετούσα επί χρόνια, συμβαίνει ακριβώς πάνω στον κομήτη».

Σύμφωνα με τον Έλληνα επιστήμονα, και άλλα ουράνια σώματα, όπως οι εξωπλανήτες, μπορεί να παράγουν αέριο οξυγόνο με τον ίδιο χημικό αβιοτικό μηχανισμό, χωρίς να απαιτείται η μεσολάβηση κάποιου οργανισμού (π.χ. της φωτοσύνθεσης των φυτών) για να εκλυθεί το οξυγόνο στην ατμόσφαιρα. Αυτό έχει μεγάλη σημασία, επειδή οι αστροβιολόγοι θεωρούν ότι αν βρουν το «αποτύπωμα» του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα ενός εξωπλανήτη, αυτό θα προδίδει την ύπαρξη ζωής. Κάτι τέτοιο όμως, κατά τον Γιαπή, μπορεί να μη συμβαίνει, αφού το αέριο οξυγόνο είναι δυνατό να παραχθεί και με καθαρά χημικές αντιδράσεις.

Η πρώτη επιβεβαιωμένη ανίχνευση μοριακού οξυγόνου στο διάστημα έγινε το 2011 από την αποστολή «Herschel» της ESA. Όπως δήλωσε ο συνεργάτης της NASA αστρονόμος Πολ Γκόλντσμιθ επίσης του Caltech, «το οξυγόνο είναι σημαντικό μόριο που είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί στο διάστημα. Ο μηχανισμός παραγωγής του, που μελέτησε το εργαστήριο του καθηγητή Γιαπή, μπορεί να έχει ισχύ σε πολλά διαφορετικά περιβάλλοντα και δείχνει τη σημαντική σύνδεση ανάμεσα στις εργαστηριακές έρευνες και στην αστροχημεία».

Konstantinos Giapis. Credit: Caltech

Ο Κωνσταντίνος Γιαπής αποφοίτησε το 1984 από τη Σχολή Χημικών Μηχανικών του ΕΜΠ στην Αθήνα, πήρε το διδακτορικό του το 1989 από το Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου της Μινεσότα και έως το 1992 διεξήγαγε μεταδιδακτορική έρευνα στα Εργαστήρια ΑΤ&Τ Bell στο Νιού Τζέρσι.

An experiment in the lab of Caltech's Konstantinos Giapis. A professor of chemical engineering, Giapis performs tests with high-speed ions to study reaction dynamics at surfaces, the results of which can be used to improve methods for fabricating semiconductor devices. Water ions are generated in a plasma reactor, seen at left, which glows to produce white-blue light. Credit: Caltech

Σήμερα είναι καθηγητής στο Caltech και η έρευνά του εστιάζεται στη δυναμική αλληλεπίδραση των ιόντων με τις επιφάνειες των ημιαγωγών (υλικών για επεξεργαστές υπολογιστών και κινητών τηλεφώνων), στα νανοϋλικά και στη νανοτεχνολογία.

Πηγές: amna.gr – caltech.edu