Kwantumeffecten verklaren geheimzinnige reacties in diepe ruimte
Sommige chemische reacties verlopen razendsnel vlak boven het absolute nulpunt. Kwantumeigenaardigheden kunnen verklaren, hoe er ondanks de extreem lage temperaturen in de interstellaire ruimte er toch zo ingewikkeld organische moleculen voorkomen. En mogelijk ook, waarom het leven op aarde zich pas zo laat vormde.
Het raadsel van ingewikkelde moleculen in de diepe ruimte
De ruimte is koud. Extreem koud. Ver van een ster daalt de temperatuur tot drie kelvin, dat is drie graden boven het absolute nulpunt. Dit is zo koud, dat zelfs helium vloeibaar wordt. Water en alle andere stoffen zijn bij deze temperatuur zo hard als graniet. Toch vinden er in deze extreem koude omstandigheden veel chemische reacties plaats. De stralingssignalen van moleculen als aminozuren, buckyballs en ingewikkelde koolwaterstoffen duiken keer op keer op op onverwachte plaatsen. Tijd dus om de omstandigheden van de extreem koude ruimte na te bootsen in een experiment, vond Wade Rellergert van de University of California, Los Angeles. Dit bleek een eye-opener.
Raadselachtige felle reactie
Bij zeer lage temperaturen blijkt de chemie zich totaal anders te gedragen dan bij kamertemperatuur. In theorie zou zich bij deze extreem lage temperaturen geen enkele chemische reactie moeten voordoen. Immers, gewoonlijk stoten atomen elkaar af. Om twee atomen te laten reageren, moeten ze vlak bij elkaar komen en moeten de vrije elektronen gedeeld kunnen worden. Dat kost energie en de energie vlak bij het absolute nulpunt is vrijwel nul. Toch gebeurde er iets heel vreemds. Het mengsel van calcium en ytterbium dat Rellergert onderzocht, leek het ytterbium op te slokken. Bij kamertemperatuur reageren beide atoomsoorten nauwelijks met elkaar. Rubidium, een uiterst reactief zacht metaal bij kamertemperatuur (het goedje ontbrandt spontaan), reageerde in een eerder experiment tienduizend keer langzamer met ytterbium. Dit was heel anders dan deze metalen zich volgens de tekstboekjes moeten gedragen. Rubidium heeft namelijk één los elektron dat heel snel reageert met een ander los elektron. Calcium heeft alleen elektronparen, die veel minder reactief zijn.
Wazige atomen reageren fel met elkaar
De stomverbaasde Rellergert en de rest van het team beseften uiteindelijk dat kwantummechanica verantwoordelijk was en vroegen raad aan collega’s van de universiteit van Philadelphia. De oorzaak bleek als volgt. Hoe minder energie een atoom of molecuul heeft, hoe waziger de plaats wordt. Vlak bij het absolute nulpunt is de energie per molecuul vrijwel nul, dus breidt de waarschijnlijkheidswolk zich enorm uit en beginnen de atomen elkaar te overlappen. Elektronen van calciumatomen bevinden zich tegelijkertijd in het ytterbium. Door dit kwantumeffect vormden de atomen in feite al een soort molecuul. In vaktaal: er bestond een superpositie van het molecuul en de losse atomen. Een molecuul in een hogere energietoestand. Dit molecuul zond een foton uit en viel zo terug in de gunstiger energietoestand van atomen die een verbinding waren aangegaan. Er had dus een chemische reactie plaatsgevonden die helemaal niet plaats had kúnnen vinden en, ook zeer absurd, sneller plaatsvindt naarmate de temperatuur meer daalt.
Kwantummechanica verklaart ook waarom het anders zo reactieve rubidium tienduizend keer langzamer reageerde. Door het ene ongepaarde elektron is rubidium een deeltje met oneven spin, een fermion. Fermionen stoten elkaar af. De gebruikte calciumisotoop (calcium-40) heeft een even spin omdat alle elektronen gepaard zijn. Het is daarmee een boson. Hierdoor konden het ytterbium-ion (een fermion) en calcium elkaar overlappen. Dit werkte niet bij rubidium.
Kwantumproces ook verantwoordelijk voor de ingewikkelde organische verbindingen in de ruimte?
De omstandigheden in deep space lijken erg op die in het experiment. In onze melkweg bevinden zich in een kubieke centimeter ongeveer een miljoen deeltjes, een vacuüm dat op aarde met moeite kan worden bereikt. Atomen ontmoeten elkaar zelden. Met drie kelvin veranderen deze atomen ook in wazige vlekken. Als bijvoorbeeld een koolstofatoom en een waterstofatoom elkaar ontmoeten, overlappen de wolken elkaar, vormen weer een superpositie, zenden energie uit, waarna zich een molecuul CH vormt. Dit molecuul kan weer nieuwe koolstof-, waterstof- of zuurstofatomen ontmoeten en zo voort. Dit proces verklaart de zeer ingewikkelde verbindingen die zich uiteindelijk kunnen vormen. Sommige astrofysici denken dat dit proces de bouwblokken van leven heeft opgeleverd. Anderen houden nog een slag om de arm. Immers, dit proces is nog nooit bij koolstof vastgesteld. In feite staat de hele cryochemie nog in de kinderschoenen. Stellige uitspraken doen is dus in dit stadium erg gevaarlijk.
Dankzij uitzetting van het heelal de achtergrondtemperatuur eindelijk laag genoeg?
Uiteraard is de verleiding erg groot verder te speculeren en op Visionair kan dat ook. Onderzoekers zijn het er over eens dat het leven op de een of andere manier moet zijn ontstaan uit deze organische stof in de ruimte, hetzij op aarde zelf, hetzij via panspermie op een andere plek in het heelal. Als extreem lage temperaturen inderdaad de ’trigger’ waren voor deze kwantumreacties en dus voor de vorming van organische stof, verklaart dit misschien waarom zich nu pas leven ontwikkelt in het heelal.
Miljarden jaren geleden was het domweg te heet voor deze subtiele kwantumeffecten. De achtergrondstraling, een overblijfsel van de oerknal, was toen nog domweg te energierijk. Deze hypothese is te toetsen door te zoeken naar sporen van ingewikkelde organische stoffen in licht van sterrenstelsels op bijvoorbeeld tien miljard lichtjaar afstand. Worden die sporen gevonden, dan klopt deze hypothese niet.