Un nouveau mécanisme pour la formation de buckyballs dans l'espace

Un mystère de longue date dans la spectroscopie astronomique concerne les bandes interstellaires diffuses, une famille de caractéristiques d’absorption observées dans les spectres du milieu interstellaire de la Voie lactée et d’autres galaxies. Observé pour la première fois il y a près de 100 ans, l'origine de l'un des groupes était inconnue jusqu'en 2015, lorsque quatre d'entre eux ont été affectés au cation de buckministerfullerene (C₆₀⁺; la molécule non chargée est souvent simplement appelée fullerène, ou familièrement buckyball). Fullerene et son analogue, C₇₀, sont de loin les plus grosses molécules détectées dans l’espace, ce qui pose la question de savoir comment de telles grandes espèces peuvent se former dans ces conditions raréfiées. Des chercheurs ont suggéré que le fullerène se forme à la sortie d'étoiles anciennes et riches en carbone, appelées étoiles asymptotiques à branches géantes. – les températures et les densités de ces flux favorisent une chimie similaire à celle de la combustion. Cela pourrait conduire à la formation de suie, pouvant contenir des structures de type fullerène. , Bernal et al. proposer une voie de formation très différente pour le fullerène.

Les atomes de carbone dans le fullerène sont disposés sous la forme d'un ballon de football, structure moléculaire remarquablement stable mais également difficile à construire. Le fullerène a été fabriqué en laboratoire dans le cadre d'expériences conçues pour sonder la chimie des étoiles riches en carbone: le carbone sous forme de graphite était vaporisé dans un écoulement d'hélium à haute densité, produisant des amas de carbone. La découverte que le fullerène faisait partie des produits de réaction a conduit à l’attribution du prix Nobel de chimie à Harry Kroto, Richard Smalley et Robert Curl en 1996.

Cependant, la gamme de températures requise pour créer le fullerène de cette manière est assez spécifique.; en dehors de cette plage, des molécules connues sous le nom d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont produites à la place. Ces molécules sont des coupes 2D d'une seule couche de graphite (une feuille de graphène), décorées d'atomes d'hydrogène. Expériences ultérieures^, ont montré que les HAP contenant plus de 60 atomes de carbone sont convertis en fullerènes lorsqu’ils sont exposés à une irradiation suffisante par ultraviolets.

La première source astronomique dans laquelle le fullerène a été détecté était l'étoile Tc 1. Curieusement, cependant, l’émission associée au fullerène provenait d’un endroit éloigné de l’étoile et de ses photons ultraviolets, alors que les émissions de HAP étaient plus proches de l’étoile. Sur la base des expériences de laboratoire précédemment rapportées, ceci est le contraire de ce qui devrait se passer si le fullerène se forme à partir de HAP dans cette source.. Alors, comment expliquer la localisation des émissions?

Bernal et ses collaborateurs rapportent maintenant que le fullerène se forme également facilement à partir de carbure de silicium (SiC), ce qui pourrait être le premier matériau carboné à se condenser à partir d'étoiles anciennes riches en carbone.. Les auteurs ont rapidement chauffé des grains de la forme cristalline de SiC que l’on trouve en abondance dans les météorites, et les irradiaient avec des ions xénon, imitant le réchauffement causé par les ondes de choc autour des étoiles anciennes.

En utilisant un microscope électronique à transmission pour analyser la surface des échantillons à l'échelle du subnanomètre, les scientifiques ont observé que le matériau du grain avait considérablement changé à la suite de son traitement (Fig. 1). Des atomes de silicium s’étaient infiltrés dans les couches extérieures des grains, laissant derrière eux ce qui ressemblait à des feuilles d’atomes de carbone dans un arrangement hexagonal en forme de «fil de poulet» – c’est-à-dire des feuilles de graphène.

La transformation des couches externes de SiC en feuilles de graphène à haute température a été rapportée précédemment pour une forme de SiC différente de celle étudiée par Bernal et ses collègues. Cependant, Bernal et al. ont également observé la formation de structures hémisphériques de diamètre similaire à celui du fullerène. Leurs travaux fournissent donc un nouveau mécanisme convaincant pour la formation de fullerènes dans les étoiles évoluées.

Bernal et al. rapporter un autre élément de preuve à l'appui de l'idée que les grains de SiC sont rapidement chauffés et bombardés d'ions dans les étoiles évoluées. Ils ont identifié un fragment de la météorite de Murchison – un météorite hautement étudié et riche en composés organiques – dans lequel le rapport des isotopes de carbone 12 à 13 est typique d'un matériau issu d'une ancienne étoile riche en carbone. Cela indique que le fragment n'a pas été produit pendant ou après la formation de la météorite, mais qu'il s'agit plutôt d'une poussière d'étoile provenant d'une ancienne étoile. Le fragment a un noyau de SiC entouré de feuilles de graphène. Cependant, les analyses précédentes La poussière d'étoile contenant du graphite n'a mis en évidence que des noyaux en carbure de titane, plutôt que des noyaux en SiC. Cela soulève la question de savoir à quel point les noyaux de SiC sont communs dans les poussières d'étoile contenant du graphite.

Le chauffage rapide des grains de SiC en présence d'hydrogène peut entraîner la formation de HAP. Les conclusions de Bernal et ses collaborateurs suggèrent donc que la conversion thermique du SiC en feuilles de graphène dans des étoiles évoluées pourrait constituer la première étape de la formation de grandes molécules contenant du carbone: une exposition ultérieure (ou simultanée) du graphène à l'hydrogène atomique produit des HAP , alors que le bombardement ionique produit du fullerène. Les molécules de PAH pourraient également être des intermédiaires moléculaires dans la formation de suie de carbone, qui peuvent ensuite être décomposées par irradiation ultraviolette pour reconstituer les HAP..

L’efficacité du mécanisme de formation du fullerène de Bernal et de ses collègues est inconnue, ce qui pose la question du nombre de grains de SiC nécessaires pour rendre compte de l’abondance observée des molécules de fullerène dans l’espace. S'il n'y a pas assez de grains, un mécanisme supplémentaire sera nécessaire pour expliquer l'abondance du fullerène. En revanche, s’il ya trop de grains de SiC, qu’arrivera-t-il aux molécules de fullerène «en excès» produites, sachant qu’elles sont notoirement difficiles à dégrader? D'autres expériences et une modélisation détaillée de la formation de fullerène et d'autres grandes molécules contenant du carbone à partir de grains de SiC sont nécessaires pour comprendre ce processus et quantifier son importance dans les étoiles anciennes.

Le lancement du télescope spatial James Webb en 2021 fournira de nouveaux outils puissants pour l'étude des étoiles anciennes, entre autres objets astronomiques. Observations de sources contenant du fullerène^, tels que Tc 1 sera capable de contraindre les régions dans lesquelles des grains de SiC, du fullerène et des HAP sont présents, fournissant ainsi plus d'indices sur la formation réelle des grandes molécules. Une analyse plus poussée et une modélisation des itinéraires impliqués permettront aux astronomes de suggérer les identités des autres molécules mystérieuses responsables des bandes interstellaires diffuses.