Μόρια στο Διάστημα:Φυσική, Χημεία και Βιολογία
Η συνεργασία μεταξύ φασματογράφου και αστροφυσικών που ξεκίνησε τον 18ο αιώνα με σκοπό την ανάθεση των γραμμών Fraunhofer στο ηλιακό φάσμα στις ατομικές μεταβάσεις παρέμεινε γόνιμη, επιτυχημένη και πάντα συναρπαστική.
Αυτή η συνεργασία είχε ως αποτέλεσμα τη μοναδική ανίχνευση περισσότερων από 200 διαφορετικών μοριακών ειδών στο διαστρικό μέσο (ISM) και στους περιαστρικούς φακέλους.
Αυτά τα μοριακά είδη κυμαίνονται από τα απλά διατομικά όπως το H2 , O2 , OH, CO κ.λπ., στα σύνθετα είδη (αυτά με έξι άτομα και άνω στην αστροχημεία) συμπεριλαμβανομένων των buckyballs με κάθε μόριο να μας λέει τη χημεία και τη φυσική του περιβάλλοντος από όπου παρατηρήθηκε. Η χρήση αυτών των μοριακών ειδών ως ανιχνευτές των φυσικών και χημικών συνθηκών στο διάστημα έχει αναδειχθεί ως μία από τις κύριες κινητήριες δυνάμεις για το αυξημένο ενδιαφέρον στους τομείς της αστρονομίας, της αστροφυσικής και άλλων συναφών πεδίων. Το πεδίο της αστροβιολογίας ευδοκιμεί με τις ανακαλύψεις βιολογικά σχετικών μορίων στο διάστημα.
Λόγω των πληροφοριών, αυτά τα μόρια παρέχουν στους αστροφυσικούς και τους αστρονόμους σχετικά με τις φυσικές και χημικές συνθήκες των αστρονομικών αντικειμένων από όπου παρατηρούνται, τόσο που ασχολούνται με την ανίχνευση μορίων στο ISM χωρίς να δίνουν ιδιαίτερη προσοχή στη χημεία αυτών των μοριακών ειδών. Αυτό γέννησε ένα νέο διεπιστημονικό πεδίο της επιστήμης που βρίσκεται στη διεπαφή της αστρονομίας, της αστροφυσικής, της χημείας και της φυσικής που ονομάζεται Αστροχημεία (συνώνυμα ονομάζεται Μοριακή Αστροφυσική) που ασχολείται με τη μελέτη των μορίων στο διάστημα και περιλαμβάνει παρατήρηση, θεωρία, μοντελοποίηση και πειράματα που στοχεύουν όλα στην ερμηνεία των προτύπων μοριακών εκπομπών στο διάστημα. Ο Alex Dalgarno (1934-2015), ένας από τους ιδρυτές του χώρου, το όρισε ως «Η ανάμειξη αστρονομίας και χημείας στην οποία κάθε περιοχή εμπλουτίζει την άλλη σε μια αμοιβαία διεγερτική αλληλεπίδραση.»
Ο χώρος ανάμεσα στα αστέρια δεν είναι κενός. Στις αρχές του 20ου αιώνα, ο διαστρικός χώρος θεωρήθηκε ως ένα κενό κενό διάστικτο με αστέρια, πλανήτες, μαύρες τρύπες και άλλους ουράνιους σχηματισμούς. Αυτή η ιδέα ή η αντίληψη δεν άργησε να σταματήσει όταν συνειδητοποιήθηκε ότι οι περιοχές μεταξύ των αστεριών περιέχουν μακράν τη μεγαλύτερη δεξαμενή χημικά συνδεδεμένης ύλης στη φύση μέσω των ανακαλύψεων διαφορετικών μοριακών ειδών μερικά από τα οποία δεν ήταν καν γνωστά στο επίγειο εργαστήριο ως την ώρα της αστρονομικής τους παρατήρησης. Το διαστρικό μέσο είναι απλά όλα τα πράγματα ανάμεσα στα αστέρια. Είναι η ύλη που υπάρχει στον χώρο ανάμεσα στα αστέρια. Η ύλη στο ISM περιλαμβάνει αέριο, σκόνη και κοσμικές ακτίνες. Ως προς τη σύνθεση, το ISM αποτελείται από 99% αέριο και 1% σκόνη. Όσον αφορά το αέριο στο ISM, το 89% είναι άτομα υδρογόνου, το 9% είναι άτομα ηλίου ενώ το υπόλοιπο 2% είναι άτομα στοιχείων βαρύτερων από το ήλιο (με ατομικό αριθμό 3 και άνω) που θεωρούνται «μέταλλα». στην αστροχημεία. Η διαστρική σκόνη αποτελείται κατά προτίμηση από σωματίδια βαρέων στοιχείων.
Μας ενδιαφέρει να κατανοήσουμε τις διαφορετικές πτυχές της χημείας των διαφόρων τάξεων αυτών των μοριακών ειδών. Όσον αφορά τον σχηματισμό αυτών των μοριακών ειδών, αν και δεν υπάρχει σχεδόν καμία συναίνεση ως προς το πώς σχηματίζονται τα μόρια στο ISM, οι ραγδαίες πρόοδοι στην επιστήμη και την τεχνολογία έχουν οδηγήσει σε αυξημένο βάθος γνώσης σχετικά με το σχηματισμό μοριακών ειδών στο ISM. Οι αντιδράσεις αέριας φάσης και οι αντιδράσεις που συμβαίνουν στην επιφάνεια των κόκκων διαστρικής σκόνης είναι οι κύριες διαδικασίες με τις οποίες σχηματίζονται μόρια στο ISM. Από αυτές τις δύο διαδικασίες, οι αντιδράσεις που συμβαίνουν στις επιφάνειες των διαστρικών σωματιδίων σκόνης έχουν επικαλεστεί για το σχηματισμό μοριακού υδρογόνου καθώς και για τη σύνθεση μεγαλύτερων διαστρικών μοριακών ειδών.
Στην τρέχουσα εργασία, εξετάσαμε διαφορετικά ισομερή είδη που περιέχουν τα μόρια ραχοκοκαλιάς C-C-O και C-O-C στα οποία υπάρχει τουλάχιστον ένα γνωστό διαστρικό μόριο από κάθε ισομερή ομάδα για να δούμε εάν θα μπορούσε να υπάρχει προτίμηση για μια συγκεκριμένη μοριακή ραχοκοκαλιά στο διάστημα έναντι της άλλης . Εφαρμόσαμε χημικούς υπολογισμούς υψηλού επιπέδου (χρησιμοποιώντας τη σειρά προγραμμάτων Gaussian 09) για τον προσδιορισμό των τυπικών ενθαλπιών σχηματισμού για τα διάφορα μοριακά είδη. Αναλύσαμε επίσης τις πιθανές οδούς σχηματισμού και καταστροφής για αυτά τα μοριακά συστήματα. Από αστρονομικές παρατηρήσεις, τα περισσότερα από τα αστρονομικά παρατηρούμενα είδη μορίων από αυτά τα ισομερή είδη έχουν τη ραχοκοκαλιά σύνδεσης C-C-O ενώ μόνο μερικά από αυτά έχουν τη ραχοκοκαλιά σύνδεσης C-O-C. Από τους κβαντικούς χημικούς υπολογισμούς, τα μόρια με ραχοκοκαλιά C-C-O είναι τα πιο σταθερά από τα αντίστοιχα C-O-C στις διάφορες ισομερείς ομάδες που εξετάστηκαν. Αυτά τα σταθερά μοριακά είδη βρέθηκαν επίσης να είναι πιο άφθονα από τα αντίστοιχα με τη ραχοκοκαλιά C-O-C. Η διαστρική αφθονία των μοριακών ειδών μπορεί να εξηγηθεί με την κατάλληλη θεώρηση των παραγόντων κινητικής, θερμοδυναμικής, οδών σχηματισμού και καταστροφής που ελέγχουν την αφθονία των μορίων στο διάστημα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Theoretical research of interstellar C–C–O and C–O–C bonding molecules backbone, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Astrophysics and Space Science. Αυτό το έργο ηγήθηκε από τον Emmanuel Etim κατά τη διάρκεια του Ph.D. στο Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημών της Μπανγκαλόρ. Ο Δρ Etim μετακόμισε από τότε στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο Wukari, Νιγηρία. Αυτή τη στιγμή βρίσκεται στο Κέντρο Αστροχημικών Μελετών, Ινστιτούτο Max Planck για Εξωγήινη Φυσική, Μόναχο, Γερμανία.
