‘Voorgangers leven ontstonden in extreme kou’
Vlak bij het absolute nulpunt begint het te spoken. Bizarre chemische reacties die volgens gevestigde chermische theorieen theoretisch onmogelijk zijn, vinden plaats in de diepten van de interstellaire ruimte. Het begint tot steeds meer astrofysici door te dringen dat de ‘doodse’ ruimte rond het absolute nulpunt heel wat uitermate interessante processen herbergt.
Moleculen die niet kunnen bestaan
Hoe lager de temperatuur, hoe langzamer reacties verlopen. De reden is dat de bewegingssnelheid van moleculen bij lagere temperatuur afneemt, waardoor ze onvoldoende energie hebben om andere moleculen te breken -absoluut noodzakelijk om een reactie te starten-en ook, dat er veel minder botsingen plaatsvinden.
Zou deze theorie kloppen, dan zou de interstellaire ruimte alleen eenvoudige moleculen zoals waterstof of water moeten bevatten. Ondertussen weten we echter uit meer dan drie decennia radioastronomie dat er in de interstellaire ruimte enorme hoeveelheden ingewikkelde moleculen voorkomen. Denk aan allerlei aminozuren, buckyballen en dergelijke. Onmogelijk, volgens gevestigde chemische theorieen. Toch zijn de spectrografische ‘handtekeningen’ van deze moleculen, specifieke golflengtes waarop deze uitzenden en absorberen, onweerlegbaar in radiogolven aangetoond. Het laatste voorbeeld: methoxy-radicalen, H3C-O. Deze bleken voor te komen in een nevel op 600 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Perseus.
Kwantumtunneling
Dit zette astrochemici aan het denken. Zagen ze wellicht iets over het hoofd? Uit nieuw onderzoek blijkt nu inderdaad, dat de chemie van lage temperaturen veel interessanter is dan we hadden durven vermoeden. Pogingen om de reactie die methoxy produceert plaats te laten vinden door de uitgangsstoffen te laten condenseren op stofdeeltjes, mislukten hopeloos.
Toen ondernamen chemici een nieuwe poging, door gebruik te maken van kwantumtunneling. Een andere reactieroute maakt gebruik van een hydroxylradicaal,OH.: CH4 + OH. -> H3CO. +H2 (de punt achter OH. en H3CO. geeft aan dat het om incomplete moleculen (radicalen) gaat).
Om deze reactie plaats te laten vinden moet kwantumtunneling plaatsvinden, waardoor het methaanmolecuul en het hydroxylradicaal zich op een gegeven moment op dezelfde plaats bevinden. Inderdaad bleek zich wel methoxy te vormen als de temperatuur verlaagd werd tot 63 kelvin (-210 C). De reactie vond zelfs 50 maal sneller plaats dan bij 200 kelvin (de temperatuur hartje winter op Antarctica of in de koudepool van Siberie).
Hoe werkt kwantumtunneling?
Een ijzeren natuurkundige wet is de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Deze levert enkele onzekerheidsparen op, bijvoorbeeld: hoe nauwkeuriger de snelheid bekend is, hoe onnauwkeuriger de plaats bekend is. (Er zijn er meer, zoals massa en tijd bij virtuele deeltjes). Van een stilstaand deeltje is de snelheid zeer nauwkeurig bekend, die is namelijk precies nul. Dus moet de plaats zeer onnauwkeurig zijn, m.a.w. het deeltje heeft veel weg van een wazige wolk. Deze wolk kan door energiebarrieres heenlekken, ’tunnelen’. In het gevalvan de chemische reactie in dit artikel: de elektrostatische afstoting tussen moleculen.
Wat houdt zich schuil out there?
Duidelijk is in ieder geval dat ook bij cryonische temperaturen opmerkelijk interessante chemische processen voorkomen. De kans is zelfs aanwezig dat zich complexe structuren kunnen gaan vormen. Cryonisch leven lijkt vergezocht, maar is niet op voorhand uit te sluiten. Wellicht kan kwantumtunneling de functie overnemen van enzymen.