Ricreare stelle morenti rivela il ruolo chiave dell’idrogeno nella formazione della polvere cosmica

La polvere di carburo di silicio (SiC) è uno degli ingredienti più importanti della polvere cosmica, le minuscole particelle che fluttuano nel cosmo e che alla fine danno origine a nuovi pianeti e stelle. Questo composto di silicio e carbonio si forma nelle atmosfere delle stelle morenti, soprattutto quelle ricche di carbonio, ma il modo esatto in cui si forma è rimasto a lungo un mistero.

In uno studio pubblicato sulla rivista Nature Astronomy , i ricercatori descrivono in dettaglio come hanno ricreato in laboratorio le condizioni delle stelle morenti prossime alla fine della loro vita per ottenere alcune risposte. E hanno scoperto che l’idrogeno svolge un ruolo fondamentale nell’innescare le reazioni chimiche che portano alla formazione dei grani di carburo di silicio.

Stella in una scatola

Riprodurre in laboratorio le condizioni di queste stelle non è un’impresa da poco, e i ricercatori hanno impiegato diversi anni per progettare l’esperimento, che ha incluso la costruzione di apparecchiature su misura. L’hanno chiamata Stardust machine, un sistema di ultra-alto vuoto in grado di ricreare le condizioni chimiche presenti in prossimità delle stelle morenti ricche di carbonio, dove ha inizio la formazione della polvere.

Nel loro esperimento, hanno prima vaporizzato silicio e carbonio per creare un gas caldo di singoli atomi. Poi hanno introdotto idrogeno gassoso a diverse concentrazioni per determinare la quantità necessaria a innescare una reazione. Per identificare le molecole che si formavano, hanno monitorato queste reazioni utilizzando la spettroscopia infrarossa e la spettrometria di massa.

Hanno scoperto che il carbonio atomico reagisce con l’idrogeno per creare idrocarburi semplici come l’acetilene. Questi reagiscono poi con il silicio attraverso diverse vie chimiche per produrre carburo di silicio in fase gassosa (SiC₂ ₎ . Infine, queste molecole si aggregano per formare granelli di polvere solida. “Il SiC₂ _è stato l’unico precursore in fase gassosa identificato. È considerato una specie chiave per la formazione di granelli di carburo di silicio negli strati interni dell’involucro delle stelle ricche di carbonio”, ha spiegato il team di ricerca nel loro articolo.

L’idrogeno è essenziale

Attraverso i loro esperimenti, gli scienziati hanno scoperto che, in assenza di elevate concentrazioni di idrogeno, il carbonio e il silicio rimanevano perlopiù separati. Ma con l’aggiunta di idrogeno, la chimica cambiava. “Le nostre scoperte rivelano il ruolo centrale dell’idrogeno molecolare nella formazione del SiC₂ _e contribuiscono a una comprensione più approfondita dei processi di formazione della polvere di carburo di silicio nelle stelle evolute.”

Guardando al futuro, i ricercatori affermano che i loro risultati potrebbero contribuire a migliorare l’interpretazione delle osservazioni astronomiche delle stelle morenti e della composizione chimica del gas circostante. Il confronto tra i risultati di laboratorio e i dati provenienti dai telescopi potrebbe inoltre fornire agli scienziati una migliore comprensione di come si forma e si evolve la polvere di carburo di silicio nello spazio, dalle semplici molecole ai grani solidi.

La polvere cosmica si forma principalmente nelle atmosfere delle stelle evolute. Nelle stelle ricche di carbonio, il carbonio amorfo insieme al carburo di silicio sono i principali costituenti dei grani di polvere, tuttavia i meccanismi coinvolti nella formazione di questi grani sono ancora poco compresi. Sono stati proposti diversi precursori molecolari per la formazione di grani di carburo di silicio. Qui, abbiamo simulato in laboratorio la formazione di polvere di carburo di silicio a partire da atomi di C, atomi di Si e H    e abbiamo chiaramente identificato SiC    come precursore molecolare chiave degli analoghi della nanopolvere. Dimostriamo che l’interazione dell’idrogeno molecolare con il carbonio atomico avvia la formazione di idrocarburi, che poi reagiscono con il silicio atomico per produrre SiC in fase gassosa.    Nei nostri esperimenti, gli analoghi della nanopolvere di carburo di silicio sono parzialmente idrogenati. Percorsi chimici per la formazione di SiC    e le specie organosiliciche vengono discusse sulla base di calcoli termochimici e modelli di cinetica chimica. I nostri risultati rivelano il ruolo centrale dell’idrogeno molecolare nella formazione di SiC    e contribuire a una comprensione più approfondita dei processi di formazione della polvere di carburo di silicio nelle stelle evolute, dagli atomi alle molecole, agli ammassi e, in definitiva, ai granelli di polvere.

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