Кислород - самый распространенный элемент на Земле, составляющий почти половину массы планеты. Из трех стабильных изотопа кислорода 16 (16O, ядро которого содержит восемь нейтронов) составляет 99,762 процента кислорода на Земле, а более тяжелый кислород 17 (17 O, с девятью нейтронами) составляет всего 0,038 процента, а самый тяжелый изотоп, кислород 18 (18O, с 10 нейтронами), составляет 0,2 процента.
Тем не менее минералы в некоторых из самых примитивных объектов в Солнечной системе, включая метеориты, называемые углеродистыми хондритами, имеют совершенно другое соотношение изотопов кислорода, чем на Земле; предположительно, редкие тяжелые изотопы встречались в гораздо большем количестве в ранней Солнечной системе.
«Для химика вопрос соотношения изотопов кислорода может помочь нам понять происхождение Солнечной системы», - говорит Мусахид (Муса) Ахмед из отдела химических наук лаборатории Беркли, ученый, работающий на луче Линия луча Chemical Dynamics, 9.0.2, в Advanced Light Source (ALS). «Почему соотношение изотопов кислорода в метеоритах значительно отличается от земного, многие годы озадачивало ученых».
Для объяснения этих различий были предложены различные модели, в том числе представление о том, что соотношение изотопов в нашей Солнечной системе является результатом их образования в экзотической звезде или в нескольких других звездах в результате ядерных процессов - модели, которые, по словам Ахмеда, «не «не работает» - или, что более убедительно, что химические процессы в самой солнечной туманности привели к возникновению соотношения кислорода.
Один из таких процессов называется «изотопная самозащита». Самой распространенной кислородсодержащей молекулой в солнечной туманности была окись углерода, CO, и самозащита считалась ключом к относительному количеству кислорода, которое возникает, когда CO диссоциирует вакуумным ультрафиолетовым светом или VUV.(VUV относится к длинам волн от 200 до 10 нанометров.)
Самозащита наблюдалась в молекулярных облаках пыли и газа в космическом пространстве. Когда энергичный ВУФ-свет от ближайшей звезды проникает в молекулярное облако, он расщепляет молекулы CO на атомы углерода и кислорода. Однако разные изотопы поглощают фотоны ВУФ с немного разной энергией; вблизи края облака CO с наиболее распространенным изотопом 16O поглощает многие фотоны, которые могут быть поглощены 16 O, тем самым защищая 16O глубже в облаке. Но 17O и 18O, которые поглощают разные энергии, не экранированы. Таким образом, внутри облака диссоциирует относительно больше молекул CO с более тяжелыми изотопами, и высвобождаются более тяжелые атомы кислорода.
Разумно ожидать, что аналогичный процесс мог иметь место в ранней Солнечной системе, когда молодое солнце излучало ВУФ-излучение, которое воздействовало на CO в горячем регионе вблизи протосолнца или, возможно, в более холодных регионах дальше. Действительно ли самозащита ВУФ работает в этих условиях? И если да, то как это влияет на результирующее соотношение изотопов кислорода? До сих пор не было ответов; это предложение никогда не подвергалось экспериментальной проверке.
«Марк Тименс из Калифорнийского университета в Сан-Диего связался с нами, чтобы использовать beamline 9.0.2 для прямого тестирования», - говорит Ахмед. «ALS обеспечивает фотоны VUV, которые можно точно настроить на различные энергии, которые диссоциируют CO».
Космохимик Тименс исследовал соотношение кислорода в Солнечной системе более тридцати лет; он является членом научной группы космического корабля «Генезис», который доставил образцы солнечного ветра. Он считает, что то, как формировалась и развивалась Солнечная система, невозможно понять без понимания космохимии кислорода.
Наряду с фотодиссоциацией CO в ранней Солнечной системе вода также является ключевым игроком в этом процессе. Вместе они образуют сложный химический процесс, который связывает более тяжелые изотопы кислорода с минералами, составляющими самые старые метеориты и впоследствии сформировавшими все остальные тела Солнечной системы.
«Первый шаг - это фотодиссоциация CO на атомы углерода и кислорода», - объясняет Ахмед. «Кислород соединяется с атомом водорода, образуя гидроксил, ОН, радикал, который быстро подхватывает другой атом водорода, образуя воду, Н2O. Все это предположительно опосредуется пылинкой. Таким образом, согласно некоторым моделям, кислород в воде передает свои изотопные характеристики силикатам. Различные изотопы кислорода сохраняются на этих этапах; наш эксперимент смотрел на то, что происходит на первом этапе».
Экспериментаторы пропускали окись углерода сверхвысокой чистоты через испытательную камеру и подвергали каждую прогонку пучку ВУФ-фотонов, генерируемых синхротроном на четырех различных длинах волн, которые были важны для гипотезы самозащиты. Время экспозиции на каждой длине волны было большим, от чуть более трех часов до почти 16 часов.
По мере диссоциации атомов углерода и кислорода кислород быстро рекомбинировал с неповрежденным CO с образованием двуокиси углерода CO2, которую собирали в сосуде, охлаждаемом жидким азотом. Эти образцы были доставлены в Калифорнийский университет в Сан-Диего членом команды Субратой Чакраборти, постдоком в группе Тименса и ведущим автором статьи, описывающей результаты исследования. Чакраборти химически удалил O2 из CO2 Затем он определил соотношение изотопов с помощью масс-спектрометрии, которая разделяет изотопы в соответствии с их массой.
«Результаты нас удивили», - сказал Ахмед. «Мы задались целью доказать, что ВУФ-самозащита отвечает за соотношения изотопов кислорода, характерные для древнейших объектов Солнечной системы, но оказалось, что нам не нужна самозащита».
Хотя исследователи обнаружили различия в том, как CO реагировал на разные длины волн, использованные в эксперименте, это не были различия, предсказанные гипотезой самозащиты; вместо этого они были связаны с электронными свойствами молекул CO, которые не были связаны с самоэкранированием.
Одной лишь базовой химической физики было достаточно, чтобы получить более высокую долю более тяжелых изотопов, а сами соотношения по-прежнему хорошо соответствовали тем, которые были обнаружены в образцах из ранней Солнечной системы. Авторы пришли к выводу, что холодные области солнечной туманности действительно были потенциальным местом для образования резервуаров кислорода с относительно большим количеством более тяжелых изотопов кислорода, «но не посредством самозащиты».
«Вы можете видеть соотношения изотопов, возвращенных Бытием, но это не говорит вам, как они возникли», - говорит Ахмед. «Соотношения изотопов сами по себе не говорят вам, почему в ранней Вселенной они отличались от сегодняшних, поэтому в лаборатории предстоит еще много научных исследований. Одним из шагов в химии кислорода, который мы хотим проверить, является реакция между кислородом, водой и силикатами, в результате которой образовались первые горные породы Солнечной системы. Именно для таких экспериментов и был разработан beamline 9.0.2: исследовать химию в таких средах, как в межзвездном пространстве и на нашей собственной Земле, в двигателях внутреннего сгорания и в земной атмосфере».
Работу поддержали НАСА и Министерство энергетики США.