Komet, kadang disebut bola salju kotor, sebagian besar tersusun dari air. Sebuah tim peneliti internasional yang dipimpin oleh Andreas Wolf dari lembaga Fisika Nuklir Max Planck di Heidelberg, Jerman, baru saja berhasil memecahkan sandi dari sebuah aspek penting dimana molekul air sering terbentuk di ruang angkasa. Kejutannya, molekul air yang dihasilkan dalam kondisi dingin ini justru panasnya mencapai 60 ribu Kelvin. Dalam penelitian para fisikawan, mereka tidak memakai teleskop, tapi sebuah pemercepat partikel. Penelitian ini dilaporkan dalam jurnal Physical Review Letters.
Di komet dan juga awan antar bintang, molekul penyusun air adalah ion hidronium bermuatan positif H3O+. Ion molekuler ini dapat dideteksi dari bumi dengan teleskop. Di awan kosmik, elektron bermuatan negatif juga ada, akibatnya mereka bertumbukan dengan dengan ion hidronium. Ion hidronium berubah menjadi hidronium netral H3O yang tidak stabil dan karenanya segera meluruh (lihat half-life). “Karena reaksi ini, alam menawarkan tiga pilihan,” kata Andreas Wolf, menjadi H2O dan H, atau menjadi OH dan H2, atau menjadi OH dan dua atom H. Penelitian kami mencoba menentukan saluran produksi ini, termasuk air.
Wolf dan rekan-rekannya menyelidiki pertanyaan ini dengan membuat penempelan elektron di laboratorium. Mereka memakai Cincin Penyimpan Uji Heidelberg (Heidelberg Test Storage Ring), sebuah jalur tabrakan partikel dengan keliling 55 meter dimana partikel bermuatan saling dihantamkan dengan dikendalikan oleh magnet.
Dalam cincin inilah para ilmuan mengarahkan ion hidronium yang membawa atom hidrogen berat untuk membuat mereka lebih sesuai untuk percobaan. Pada satu lokasi cincin, elektron ditambahkan pada ion ini dan terus bersama dengannya dalam satu garis sepanjang hampir dua meter dan meninggalkan jalur pacu kembali. Ini terjadi tiap putaran, yang terjadi beberapa ratus ribu kali per detik.
Keruntuhan dalam tiga jalur. Sebuah ion hidronium menangkap sebuah elektron kemudian terbelah menjadi tiga kemungkinan. Hasil relatif dari ketiga jalur ditunjukkan sebagaimana diukur untuk ion hidronium berat D3O+. Penangkapan ini menghasilkan radikal D3O yang tidak stabil dengan elektron yang tertangkap berada dalam keadaan ikatan lemah (Rydberg). (Credit: Image courtesy of Max-Planck-Institut für Kernphysik)
Ion hidronium bermandikan elektron dalam pemercepat partikel ini. Proses yang sama terjadi di luar angkasa. Elektron menempel pada ion hidronium sehingga membentuk molekul netral. Pecahan dari proses ini tidak membawa muatan listrik. Karenanya mereka tidak terpengaruh oleh medan magnet pengendali pemercepat partikel. Mereka bergerak lurus saja, berbeda dengan ion yang mengikuti jalur berputar di mesin. Di tempat mereka meninggalkan jalur, tim peneliti Wolf meletakkan detektor yang merekam pecahan hasil tumbukan ini. Mereka menangkap serpihan tersebut. Inilah hasil kerjasama mereka dengan Lembaga Ilmu Pengetahuan Weizmann di Rehovot, Israel.
Detektor ini merekam seribu tumbukan per detik. Saat merekam, ia juga mencatat massa dan momentum semua potongan dari reaksi letupan molekul individual. Dengan data ini, dinamika molekul yang dipicu oleh penempelan elektron yang berakibat pada peluruhan dapat di rekonstruksi dengan pasti.
Hasil penting pertama adalah 16.5 persen dari semua peluruhan setelah penempelan elektron adalah molekul air. “Ini jumlah yang cukup besar” kata Wolf. “Penempelan elektron dengan ion hidronium dapat menjadi cara paling penting untuk terbentuknya air di awan antar bintang dan komet.”
Yang paling sering terbentuk adalah HO disertai dua atom hidrogen (71%), dimana ion hidronium terpecah menjadi tiga potongan. Para peneliti sekarang dapat memahami alasan perilaku ini. Asal usulnya adalah energi ikatan yang besar dilepaskan oleh penempelan elektron. Seluruh molekul merasakan energi ikatan ini dan mulai bergetar seperti pegas (berdenyut). “Tapi mengejutkannya, kami menemukan kalau molekul air bergetar pada energi maksimum yang dapat mereka topang,” kata Wolf. Ini artinya, tiap molekul air yang dihasilkan dari penangkapan elektron berada dalam kondisi nyaris sobek: itu mengapa lebih banyak potongan tiga fragmen (HO dan 2 atom H). Mereka termasuklah molekul air yang telah sobek.
Energi getaran tinggi ini berbanding lurus dengan suhu. Hasilnya adalah air yang terbentuk memiliki suhu beberapa puluh ribu Kelvin: air yang tercipta luar biasa panasnya.
Bukti ini memiliki beberapa implikasi. Di satu sisi, ia memberikan masukan pada model komputer yang me-reka ulang jaringan reaksi kimia kompleks di awan antar bintang. Di sisi lain, ia menjelaskan asal usul signatur misterius yang ditemukan para astronom dalam spektrum inframerah beberapa komet. Signatur ini menunjukkan radiasi inframerah yang dipancarkan oleh molekul air panas saat de-eksitasi dari gerakan bergetar yang kuat. Yang lebih menarik, kesimpulan detil yang dapat ditarik dari eksperimen pemecahan molekul ini mengenai proses elektronik dalam ion hidronium, yang berperan sebagai masukan untuk model mekanika kuantum molekul tersebut.
Diterjemahkan dari sciencedaily
Referensi silang :
1. H. Buhr, J. Stützel, M. Mendes, O. Novotný, D. Schwalm, M. Berg, D. Bing, M. Grieser, O. Heber, C. Krantz, S. Menk, S. Novotny, D. Orlov, A. Petrignani, M. Rappaport, R. Repnow, D. Zajfman, A. Wolf. Hot Water Molecules from Dissociative Recombination of D3O+ with Cold Electrons. Physical Review Letters, 2010; 105 (10): 103202
