Chemical evolution of interstellar dust, comets and the origins of life

Laboratory Astrophysics, University of Leiden, Leiden, The Netherlands

Abstract

It now appears that the chemical evolution of the pre-solar system interstellar dust ensures that a major fraction of comets is in the form of complex organic molecules at least partially of a prebiotic nature and that the submicron interstellar dust preserves its chemical integrity as a result of forming a very tenuous low density comet structure whose solid matter occupies ∼ 1/5 of the total volume. This low density micro structure further provides a physical basis for comets bringing a significant fraction of the original interstellar organic molecules to the earth unmodified by the impact event. Finally, the evidence for a large number of comet collisions with the early earth ensured that the major organic molecular budget on the earth's surface was "continuously" supplied along with water well before 3.8 billion years ago which is the earliest date for life.The chemistry and morphological structure of a comet nucleus as an aggregate of interstellar dust is used to provide comparisons with a variety of comet Halley results : the density of the nucleus and of the dust; the dust cloud model and its consequences on the production of C+ and CN in the coma by small organic grains; the surface albedo and the low nucleus heat conductivity and high surface temperature ; the appearance of 10^-14 g and 10^-17 g dust particles along with higher masses ; the mass spectra of dust and infrared spectroscopy as evidence for complex organic grain mantles and of very small (∼ 0.01 μm) carbonaceous and silicate grains ; the appearence of small grains resulting from breakup of larger grains. The cosmic ray dosage of a comet nucleus during its 4.5 billion years in the Oort cloud appears to be many orders of magnitude less than the dosage of the preaggregated interstellar dust by ultraviolet photons except perhaps in the outer few meters of the nucleus of a new comet. The heat conductivity calculated for aggregated dust is certainly less than 10^-4 that of crystalline ice. This, in combination with the interstellar dust microstructure, provide a basis for showing that solar heating of the interior of a nucleus is lower than previously estimated.

Résumé

Il apparaît maintenant que l'évolution chimique de la poussière interstellaire du système pré-solaire assure que la majeure partie des comètes est formées de molécules organiques complexes au moins en partie de nature "prébiotiques" et que la poussière interstellaire de taille inférieure au micron conserve son intégrité chimique, cela résultant de la formation d'une structure de faible densité dont la partie à l'état solide occupe environ 1/5 du volume total. Cette microstructure de faible densité est la base physique du transport d'une proportion significative des molécules organiques interstellaires originales jusqu'à la terre sans altération par des collisions. Finalement, le grand nombre d'impacts de comètes avec la terre primitive a permis que la majeure partie du capital moléculaire organique à la surface de la terre fût alimenté de façon "continue" accompagné d'eau à une époque bien antérieure 3,8 milliards d'années avant nous, qui représente la date la plus ancienne pour la vie. La structure chimique et morphologique d'un noyau de comète considéré comme un agrégat de poussière interstellaire est confrontée à divers résultats d'observations effectuées sur la comète de Halley: densité du noyau et de la poussière ; modèle du nuage de poussière et ses conséquences pour la production de C+ et de CN dans la coma par des petits grains organiques ; l'albedo de surface et la faible conductivité thermique du noyau pour des fortes températures de surface; l'apparition de particules de 10^-14 g et 10^-17 g avec des masses plus importantes ; les spectres de masse des poussières et les spectres infrarouges correspondant à des enrobages de nature organique complexes de grains très petits (0, 01 μm) de carbone ou de silicates ; l'apparition de petits grains résultant de la disruption de grains plus grands. L'irradiation d'un noyau de comète par des rayons cosmiques pendant les 4, 5 milliards d'années passés dans le nuage de Oort paraît être moins intense par plusieurs ordres de grandeur que celle subie par la poussière interstellaire préaglomérée soumise aux photons ultraviolets si ce n'est dans les quelques mètres les plus superficiels du noyau d'une nouvelle comète. La conductivité thermique calculée pour de la poussière aglomérée est certainement inférieure à 10^-4 fois celle de la glace cristalline. Ceci, combiné à la microstructure de la poussière interstellaire, conduit à penser qu'on a jusqu'ici surestimé le chauffage par le soleil de l'intérieur du noyau.