PHOSPHOR CỦA SỰ SỐNG, RA ĐỜI GIỮA CÁC VÌ SAO

Phosphor rất khan hiếm trong vũ trụ. Trong khí quyển Mặt Trời, cứ 10 triệu nguyên tử hydro thì có khoảng 3 nguyên tử phosphor — ít hơn số nguyên tử lưu huỳnh chừng một trăm lần. Thế nhưng sự sống không thể thiếu nó: phosphate là thành phần thiết yếu của DNA và RNA, những vật mang thông tin di truyền, của ATP và của phospholipid.

Phosphor đã trở nên sẵn có cho thứ hóa học đầu tiên của sự sống như thế nào vẫn là một câu hỏi mở. Một manh mối được các tác giả nhắc đến: trong các mẫu vật mang về từ tiểu hành tinh Ryugu, người ta tìm thấy những hạt giàu phosphor một cách bất thường, khác với các hạt của những thiên thạch khác — một gợi ý rằng đá từ không gian có thể đã mang phosphor đến Trái Đất thuở sơ khai.

Một danh sách phân tử ngắn ngủi

Các nhà thiên văn vô tuyến đã nhận diện hơn 40 phân tử chứa lưu huỳnh trong không gian giữa các vì sao. Với những phân tử liên kết phosphor với carbon, danh sách dừng lại ở ba: CP, CCP và HCP, tất cả đều được tìm thấy trong lớp vỏ bao quanh những ngôi sao già giàu carbon, cộng thêm một phát hiện còn chưa chắc chắn. Các nhà hóa học đã đề xuất nhiều ứng viên phức tạp hơn, nhưng cách chúng hình thành và bị phá hủy vẫn còn ít được hiểu rõ.

Trong các đám mây khí loãng, phosphor tồn tại chủ yếu dưới dạng ion dương, P⁺. Một phản ứng có vẻ đặc biệt hứa hẹn: P⁺ gặp acetylene (C₂H₂), một phân tử carbon phổ biến. Phép đo duy nhất về nó có từ năm 1989–1990, ở nhiệt độ phòng, và các cơ sở dữ liệu hóa học thiên văn đơn giản giả định cùng một tốc độ ở mọi nhiệt độ. Trong khi đó, một tính toán năm 2012 lại dự đoán tốc độ thấp hơn mười lần. Có điều gì đó không khớp.

Ion gặp acetylene tại SOLEIL

Matteo Michielan, Daniela Ascenzi (Đại học Trento, Ý), Alexandre Zanchet (CSIC, Madrid) và các đồng nghiệp ở Pháp, Tây Ban Nha và Séc đã quay trở lại phòng thí nghiệm. Tại synchrotron SOLEIL gần Paris, họ tạo ra các ion phosphor bằng cách dùng ánh sáng tử ngoại phá vỡ các phân tử phosphor trichloride, chọn năng lượng thật cẩn thận để chỉ tạo ra những ion ở trạng thái năng lượng thấp nhất — một lựa chọn mà họ đã kiểm tra bằng một phản ứng thử riêng biệt.

Sau đó, họ dẫn các ion đi qua một buồng chứa acetylene ở áp suất rất thấp, sao cho mỗi ion va chạm nhiều nhất một lần, và đếm các sản phẩm bằng khối phổ kế, ở các năng lượng va chạm từ 0,1 đến 10 electronvolt. Các tính toán hóa học lượng tử và một mô hình cải tiến về cách hai bên hút nhau đã hoàn thiện bức tranh.

Một sản phẩm áp đảo

Ở năng lượng thấp:

99% số phản ứng tạo ra ion HCCP⁺ cùng một nguyên tử hydro;
1% tạo ra CCP⁺ cùng một phân tử hydro — nhiều hơn mười lần so với dự đoán của tính toán năm 2012.

Kênh CCP⁺ lẽ ra thậm chí không được mở đối với các ion ở trạng thái “spin” từ tính thông thường của chúng. Sự hiện diện của nó cho thấy cặp va chạm có thể lật spin trong lúc gặp nhau, một quá trình gọi là chuyển đổi giữa các hệ (intersystem crossing). Các tác giả giải thích điều này bằng những phức chất liên kết yếu tồn tại đủ lâu để sự lật spin xảy ra — càng dễ hơn ở năng lượng thấp.

Một sản phẩm thứ ba được báo cáo vào năm 1989–1990, một phân tử kết hợp, đã không hề xuất hiện. Nhóm nghiên cứu cho rằng nó là do áp suất cao hơn của kỹ thuật cũ, và không kỳ vọng gặp nó trong không gian.

Nhanh hơn khi lạnh

Chuyển các phép đo của mình thành tốc độ phản ứng từ 10 đến 5.000 kelvin, họ thu được 1,1 × 10⁻⁹ cm³ mỗi giây ở nhiệt độ phòng — gần với giá trị cũ — nhưng tốc độ này tăng lên khi nhiệt độ giảm, đạt 1,3 × 10⁻⁹ ở 10 kelvin, thay vì giá trị không đổi được dùng cho đến nay. Lý do: sự phân bố điện tích kéo dài của acetylene hút ion mạnh hơn so với giả định của mô hình chuẩn. Họ cung cấp các công thức sẵn sàng để đưa vào các cơ sở dữ liệu hóa học thiên văn.

Quanh một ngôi sao carbon già

Nhóm nghiên cứu đã đưa phản ứng này vào một mô hình hóa học của IRC +10216, một ngôi sao đã tiến hóa, giàu carbon, được bao quanh bởi một lớp vỏ nơi đã phát hiện được nhiều phân tử phosphor. Các ion phosphor chủ yếu sống ở các lớp ngoài, acetylene ở các lớp trong, nhưng chúng chồng lên nhau ở khoảng cách chừng 3 × 10¹⁶ centimet tính từ ngôi sao. Ở đó, phản ứng trở thành cửa ngõ chính dẫn tới các ion chứa phosphor và là nguồn chính tạo ra HCCP⁺. Trong các đám mây giữa các vì sao, HCCP⁺ khi bắt một electron có thể tạo ra CP và CCP — hai trong ba phân tử đã được quan sát.

Mô hình dự đoán HCCP⁺ và CCP⁺ với lượng tương đương nhau. Để kiểm chứng điều đó, các kính viễn vọng sẽ phải tìm thấy chúng — và trước hết, cần có các phép đo trong phòng thí nghiệm về dấu hiệu vô tuyến của chúng, những phép đo mà theo hiểu biết của các tác giả, chưa từng được thực hiện.