I ricercatori del National High Magnetic Field Laboratory e del Brookhaven National Laboratory hanno collaborato per esaminare in modo innovativo la complessa composizione dei meteoriti e per dare uno sguardo al passato del nostro Sistema Solare. La potente spettrometria, disponibile solo presso il MagLab, ha identificato la vasta gamma di composti organici all’interno di due meteoriti, e gli scienziati di Brookhaven hanno poi ottenuto immagini che dettagliano la struttura di alcune di queste molecole extraterrestri. La loro ricerca suggerisce che le basi chimiche della vita siano profondamente intrecciate al tessuto dell’Universo e amplia la nostra comprensione degli ingredienti cosmici che si sono depositati sulla Terra primordiale, potenzialmente dando inizio alla vita come la conosciamo. Lo studio è stato pubblicato su The Planetary Science Journal.
“Questo può far luce sulla quantità di materiale organico complesso presente nello spazio”, ha affermato Joseph Frye-Jones, che ha guidato la ricerca di spettrometria di massa come assistente di ricerca laureato presso la Florida State University ed è l’autore principale dell’articolo. Per condurre la ricerca, Frye-Jones ha ottenuto frammenti del meteorite Murchison, una roccia spaziale vecchia di miliardi di anni caduta in Australia nel 1969. Il frammento proveniva dal Field Museum di Chicago. Frye-Jones ha anche ricevuto un frammento del meteorite Aguas Zarcas, caduto in Costa Rica nel 2019, fornito dal Buseck Center for Meteorite Studies dell’Arizona State University.
I meteoriti rivelano una diversità chimica
L’analisi ha rilevato una varietà incredibilmente ampia di molecole a base di carbonio – decine di migliaia – in un piccolo campione di ciascun meteorite. Ognuna di esse ha il potenziale per rappresentare diverse molecole uniche, il che significa che i meteoriti sono chimicamente molto più complessi di quanto previsto, probabilmente tra i materiali più complessi mai conosciuti.
“Il meteorite Murchison ha almeno 5,5 miliardi di anni, 1 miliardo di anni più vecchio della Terra, ed è complesso quanto i depositi di petrolio, che sono tra le miscele più complesse che abbiamo analizzato nel nostro laboratorio. Queste scoperte dimostrano quanto possano essere complessi i materiali organici nello spazio”, ha affermato Frye-Jones.
Sebbene i due meteoriti appartengano alla stessa famiglia cosmica e appaiano simili in superficie, le loro impronte chimiche sono profondamente diverse. Condividono solo una piccola frazione di molecole complesse. Questo ci dice che lo spazio non è uniforme. Asteroidi diversi hanno sperimentato ambienti radicalmente diversi durante la loro formazione e il Sistema Solare primordiale ha creato una vasta e diversificata matrice chimica organica. “Ci sta offrendo uno sguardo sulle origini del nostro pianeta e del Sistema Solare“, ha concluso Frye-Jones.
Strumenti più precisi per analizzare nuovamente Murchison
Gran parte delle precedenti analisi del meteorite Murchison sono state effettuate subito dopo la sua scoperta. Negli ultimi cinque decenni, le tecniche e la strumentazione hanno subito notevoli miglioramenti, consentendo a Frye-Jones di analizzare in modo molto più dettagliato la miriade di molecole presenti al loro interno. “La tecnica che utilizziamo è migliorata costantemente di pari passo con i progressi tecnologici. Grazie allo spettrometro di massa con la più alta risoluzione al mondo, possiamo osservare elementi che altri non sono in grado di analizzare”, ha affermato Frye-Jones.
Frye-Jones ha frantumato i campioni di meteorite, per poi dissolverli in solventi organici come metanolo ed etanolo, prima di inserirli nello spettrometro FT-ICR da 21 tesla del MagLab, il sistema con le prestazioni più elevate al mondo per la risonanza ionica ciclotronica. Lo strumento permette ai ricercatori di identificare la composizione chimica di miscele complesse ed è stato fondamentale per l’analisi di campioni di petrolio, sostanze chimiche persistenti e materia organica disciolta.
Immagini di singole molecole extraterrestri
Per un’analisi più dettagliata, il MagLab ha collaborato con Percy Zahl, Senior Staff Scientist del Center for Functional Nanomaterials del Brookhaven National Laboratory, per integrare l’analisi chimica con immagini di alcune molecole del meteorite. Mentre la spettrometria di massa determina la formula chimica di una molecola, la stessa formula può avere molte strutture diverse. Zahl ha utilizzato la microscopia a forza atomica ad alta risoluzione senza contatto per visualizzare le strutture delle molecole. Questa tecnica prevede di posizionare una punta ultra-affilata sopra una superficie e di misurare la repulsione atomica per mappare le molecole. L’imaging di alcune singole molecole di una miscela complessa può richiedere da diversi giorni a diversi mesi, utilizzando questa tecnica laboriosa e complessa.
“La spettrometria di massa può rivelare le formule molecolari nascoste all’interno di un meteorite, ma questa tecnica porta l’analisi a un livello superiore“, ha spiegato Zahl. “È l’unico metodo in grado di visualizzare la struttura di una singola molecola. È necessaria un’immagine per osservare la struttura, come le molecole sono collegate tra loro”. Questa è solo la terza volta che questo tipo di microscopia viene utilizzato per studiare il materiale meteoritico.
“La qualità dell’immagine ottenuta in questo caso apre la strada a un’identificazione strutturale molto più completa rispetto al semplice conteggio degli atomi”, ha affermato Zahl. “Insieme, le due tecniche offrono una nuova ed entusiasmante prospettiva sulla chimica extraterrestre: non solo permettono di identificare i mattoni molecolari conservati nei meteoriti, ma consentono anche di iniziare a vedere quale sia il reale aspetto delle singole molecole risalenti alle origini del Sistema Solare”.
Una collaborazione chiamata “Stardust”
Zahl ha scelto di chiamare questa collaborazione tra il MagLab e il Brookhaven “Stardust Collaboration” (Collaborazione Polvere di Stelle), un riferimento alle origini degli elementi e al loro ruolo di costituenti fondamentali dei pianeti e della vita stessa. Il nome ci ricorda quanto sia straordinario poter osservare, qui sulla Terra, immagini di molecole che hanno viaggiato attraverso l’Universo per miliardi di anni. “L’astronomia è una mia passione, quindi tutto ciò è davvero entusiasmante“, ha detto Zahl. “Osserviamo tutti questi materiali organici, i mattoni della vita. È un po’ come il dilemma dell’uovo e della gallina: da dove provengono? E cosa ci dice tutto questo sulle probabilità che esista altra vita nell’Universo?“.