A művész benyomása a Herschel Űrmegfigyelőközpontról, a csillagképződés megfigyeléseivel a háttérben a Rosette-ködben.
(Kép: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, a Kavli Alapítvány írója és szerkesztője hozzátette ezt a cikket az Space.com szakértői hangjaihoz: Op-Ed & Insights.
A 2018-as Kavli-díjjal kitüntetett vándorló kemping utaktól a nagy költségvetésű obszervatóriumokban a nemzetközi konszenzus kialakításáig a személyes és szakmai útja az asztrokémia területére terjed ki.
NEM MINDEN A TÉRKÉP SZERZETT HELYZETT. A galaxisok tele vannak poros felhőkkel, amelyek gazdag molekulákat tartalmaznak, kezdve az egyszerű hidrogéngáztól az összetett szerves anyagokig, amelyek kritikusak az élet fejlődéséhez. Annak megértése, hogy ezek a kozmikus összetevők miként keverednek a csillagok és bolygók kialakításában, Ewine van Dishoeck életműve.
Van Dishoeck, kémiai képzéssel hamarosan a kozmosz felé fordította. Számos előrelépést tett az asztrokémia feltörekvő területén, a legújabb távcsövek felhasználásával hatalmas csillaghordozó felhők tartalmának feltárására és leírására. Ezzel párhuzamosan van Dishoeck laboratóriumi kísérleteket és kvantumszámításokat folytatott terra firma hogy megértsék a kozmikus molekulák csillagfényben történő lebontását, valamint azokat a körülményeket, amelyek között az új molekulák egymáshoz hasonlóan összerakódnak, mint a Lego tégla. [8 zavaró csillagászat rejtélyek]
"A csillagközi felhők életciklusának, valamint a csillagok és bolygók képződésének megértéséért, a megfigyelési, elméleti és laboratóriumi asztrolókémiához való együttes hozzájárulásáért" van van Dishoeck a 2018-as asztrofizikai Kavli-díjjal. Bármely területen csak a második díjat nyert, aki történelmének során egyetlen díjat kapott.
Ahhoz, hogy többet megtudjon az áttöréses asztrokémiai karrierjéről és arról, hogy mi várható a területen, a Kavli Alapítvány van Dishoeck-kel beszélt a hollandiai Leiden Egyetem Leiden Obszervatóriumának irodájából, közvetlenül azelőtt, hogy részt vett volna a személyzet grillezésében. Van Dishoeck a molekuláris asztrofizika professzora és a Nemzetközi Csillagászati Szövetség (IAU) megválasztott elnöke.
Az alábbiakban bemutatjuk a kerekasztal-beszélgetés szerkesztett átiratát. Van Dishoeck lehetőséget kapott arra, hogy megjegyzéseit módosítsa vagy módosítsa.
A KAVLI ALAPÍTVÁNY: Mit mond nekünk az asztrokémia magunkról és az univerzumról, amelyben élünk?
EWINE VAN DISHOECK: Az asztrokémia által elmondott általános történet az, hogy mi származik? Honnan jöttünk, hogyan építettünk? Hogyan alakult meg bolygónk és a napunk? Ez végül arra vezet, hogy megpróbáljuk felfedezni a nap, a Föld és a mi alapvető építőelemeit. Olyan, mint a Legos - szeretnénk tudni, hogy milyen darabok voltak a Lego épületben a naprendszerünkhöz.
A legalapvetőbb építőelemek természetesen a kémiai elemek, de az, hogy ezek az elemek miként alkotnak nagyobb építőelemeket - molekulákat - az űrben, döntő jelentőségű annak megértéséhez, hogy minden más hogyan jött létre.
TKF: Ön és más kutatók már több mint 200 ilyen molekuláris építőelemet azonosítottak az űrben. Hogyan fejlődött a pálya karrierje során?
EVD: Az 1970-es években elkezdtük észlelni, hogy a nagyon szokatlan molekulák, mint például az ionok és a gyökök, viszonylag gazdagok az űrben. Ezeknek a molekuláknak hiányoznak, vagy páratlan elektronuk van. A Földön nem maradnak sokáig fenn, mert gyorsan reagálnak minden más anyaggal, amellyel találkoznak. Mivel azonban a tér annyira üres, az ionok és a gyökök több tízezer éven át élhetnek, mielőtt bármi elhalványulnának.
Most mozogunk azon molekulák azonosítása felé, amelyek azon régiók szívében vannak jelen, ahol új csillagok és bolygók alakulnak ki, éppen ebben a pillanatban. Az izolált ionokat és gyököket már telített molekulákká tesszük át. Ide tartoznak a szerves [széntartalmú] molekulák a legegyszerűbb formákban, például a metanol. Ebből az alapvető metanol-építőelemből olyan molekulák képződhetnek, mint a glikolaldehid, amely cukor, és az etilénglikol. Ezek mind "prebiotikus" molekulák, azaz szükségük van az életmolekulák esetleges kialakulásához.
Ahol az asztrokémia mező tovább mozog, távol van a molekulák leltárának készítésétől és annak megkísérelésétől, hogy megértsük, hogyan alakulnak ezek a különböző molekulák. Azt is megpróbáljuk megérteni, hogy miért találhatunk nagyobb mennyiségeket bizonyos molekulákban, különösen a kozmikus régiókban, mint más típusú molekulák.
TKF: Amit éppen mondtál, egy analógiára gondolok: az asztrolómia most kevésbé foglalkozik új molekulák megtalálásával az űrben - olyan, mint az olyan állatorvosok, akik új állatokat keresnek a dzsungelben. A mező most inkább az "ökológiáról" szól, hogy ezek a molekuláris állatok hogyan hatnak egymásra, és miért van itt olyan sok fajta az űrben, de oly kevés ott, és így tovább.
EVD: Ez jó analógia! Ahogy a csillagok és a bolygók kialakulásának fizikáját és kémiáját megértjük, jelentős része kitalálja, hogy egyes molekulák miért vannak bőségesen bizonyos csillagközi régiókban, de "kihalt", akárcsak az állatok más régiókban vannak.
Ha folytatjuk a metaforát, akkor valóban sok érdekes kölcsönhatás zajlik a molekulák között, amelyeket az állati ökológiához lehet hasonlítani. Például a hőmérséklet szabályozza a molekulák viselkedését és kölcsönhatásait az űrben, ami szintén befolyásolja az állatok aktivitását és életét, és így tovább.
TKF: Visszatérve az építőelemek ötletéhez, hogyan működik pontosan az asztrokémia felépítési folyamata?
EVD: A molekulák űrben történő felépítésének fontos fogalma, amelyet a Föld mindennapi életéből ismerünk, úgynevezett fázisátmeneteknek. Ekkor szilárd anyag megolvad, vagy folyadék elpárolog gázzal, és így tovább.
Jelenleg az űrben minden molekulanak megvan a saját „hóvonala”, amely a megoszlás egy gázfázis és egy szilárd fázis között. Tehát például a víznek van egy hóvonal, ahol a vízgázról a vízjégre megy. Hangsúlyoznom kell, hogy az elemek és molekulák folyékony formái nem létezhetnek az űrben, mert túl kevés a nyomás; a víz folyékony lehet a Földön a bolygó légkörének nyomása miatt.
Visszatérve a hóvonalakhoz, most felfedezzük, hogy nagyon fontos szerepet játszanak a bolygóképződésben, sok kémiai ellenőrzés alatt állnak. A Lego egyik legfontosabb építőköve, úgynevezett szén-monoxid. Ismerjük a szén-monoxidot a Földön, mert például égés közben állítják elő. Kollégáimmal és én a leideni laboratóriumban bizonyítottuk, hogy a szén-monoxid a kiindulópontja sokkal összetettebb szerves anyagnak az űrben történő kiszállításához. A szén-monoxid gázból szilárd fázisba fagyasztása kritikus első lépés a Lego építőelemek hidrogén hozzáadása szempontjából. Ha így tesz, akkor nagyobb és nagyobb molekulákat építhet, mint például a formaldehid [CH2O], majd metanol, a glikolaldehidre, amint azt már tárgyaltuk, vagy akár összetettebb molekulákhoz is mehet, például glicerinhez [C3H8O3].
Ez csak egy példa, de megismeri, hogy az építési folyamat hogyan játszik szerepet az asztrokémia területén.
TKF: Nemrég említette a laboratóriumot a Leiden Obszervatóriumban, a Sackler laboratórium az asztrofizikához, amelynek megértése megkülönböztetést jelent, mint az első asztrofizikai laboratórium. Hogyan alakult ki, és mit ért el ott?
EVD: Úgy van. Mayo Greenberg, úttörő asztrológus, az 1970-es években kezdte meg a laboratóriumot, és ez valójában az első ilyen jellegű asztrofizika a világon. Nyugdíjba ment, majd folytattam a laboratóriumot. Az 1990-es évek elején végül ennek a laboratóriumnak az igazgatója lettem, és így maradtam 2004 körül, amíg egy kolléga átvette a vezetést. Még mindig együttműködök és kísérleteket végezek ott.
Amit a laborban sikerült elérnünk, a tér extrém körülményei: hidegessége és sugárzása. A hőmérsékletet az űrben akár 10 kelvin [mínusz 442 fok Fahrenheit; mínusz 260 Celsius fok], ami csak egy kicsit meghaladja az abszolút nulla értéket. Az intenzív ultraibolya sugárzást csillagfényben is visszaállíthatjuk, amelyet a molekulák az új csillagképződés régiói alá vetnek. [Csillagkvíz: Tesztelje a csillagok szagait]
Ahol azonban kudarcot vallunk, a tér ürességének, a vákuumnak a reprodukciója. Úgy véljük, hogy a laboratóriumi rendkívül magas vákuum 10-es nagyságrendű8 10-ig10 [százmillió-tízmilliárd] részecske / köbcentiméter. Amit csillagászok sűrű felhőnek neveznek, ahol csillag- és bolygóképződés történik, csak körülbelül 104, vagy kb. 10 000 részecske / köbcentiméter. Ez azt jelenti, hogy egy sűrű felhő az űrben még mindig milliószor ürül, mint a legjobb, amit meg tudunk csinálni a laboratóriumban!
De ez végső soron a mi előnyeinkre működik. Az űr szélsőséges vákuumában a megérteni kívánt kémia nagyon-nagyon lassan mozog. Ez egyszerűen nem fog megtörténni a laboratóriumban, ahol nem várhatunk meg 10 000 vagy 100 000 évet, amíg a molekulák össze nem ütköznek és kölcsönhatásba lépnek. Ehelyett képesnek kell lennünk arra, hogy egy nap alatt reagáljunk arra, hogy bármit megtanuljunk az emberi tudományos karrier időrendjén. Tehát mindent felgyorsítunk, és a laboratóriumban látott eredményeket a térben sokkal hosszabb időmérőkre fordíthatjuk.
TKF: A laboratóriumi munkán túl a karrierje során teleszkópok sorozatát használta a molekulák űrben történő tanulmányozására. Mely eszközök voltak nélkülözhetetlenek a kutatáshoz, és miért?
EVD: Az új hangszerek kulcsfontosságúak voltak egész karrierem során. A csillagászatot valóban megfigyelések vezetik. Ha egyre erőteljesebb távcsöveket használunk új fényhullámhosszon, olyan, mintha más szemmel nézzük az univerzumot.
Példaként említhetjük, hogy az 1980-as évek végén visszatértem Hollandiába, amikor az ország erőteljesen részt vett az Infravörös Űrmegfigyelő Intézetben, vagyis az ISO-ban, az Európai Űrügynökség [ESA] vezetésében. Nagyon szerencsésnek éreztem magam, hogy valaki más 20 éve végzett kemény munkát annak érdekében, hogy ez a távcső valósággá váljon, és boldogan tudtam használni! Az ISO nagyon fontos volt, mert kinyitotta az infravörös spektrumot, ahol láthattuk ezeket a jegeket, beleértve a vizet is, mint a kémiai ujjlenyomatok, mint például a kémiai ujjlenyomatok, amelyek nagy szerepet játszanak a csillagok és bolygók kialakításában, valamint a víz esetében, természetesen kritikusak az élet szempontjából. Nagyszerű idő volt.
A következő nagyon jelentős küldetés a Herschel Űrmegfigyelő Intézet volt, amelybe én végzős hallgatóként vettem részt 1982-ben. A kémia oldaláról egyértelmű volt, hogy Herschel a csillagközi molekulák elsődleges küldetése, és különösen, hogy "kövesse a víz nyom. " De először be kellett vonnunk a tudományos alapot az ESA-hoz. Néhány évig az Egyesült Államokban jártam, és ott folytattam hasonló megbeszéléseket, ahol segítettem előállítani a Herschel tudományos ügyét az amerikai finanszírozó ügynökségeknél. Nagyon nagy nyomás volt, amíg a missziót végül nem hagyták jóvá az 1990-es évek végén. Akkor még 10 évbe telt az építkezés és az elindítás, de végre 2009 végén megkaptuk az első adatainkat. Tehát 1982-től 2009-ig - ez hosszú távon volt! [Fotók: A Herschel Űrmegfigyelő Intézet csodálatos infravörös képei]
TKF: Mikor és hol gyökerezik a tér iránti szeretet és a kémia?
EVD: Legfontosabb szerelmem mindig a molekulák iránt érzett. Ez kezdődött a középiskolában egy nagyon jó kémia tanárral. Nagyon sok igazán jó tanártól függ, és nem hiszem, hogy az emberek mindig rájönnek, mennyire fontos. Csak akkor, amikor egyetemre jöttem, rájöttem, hogy a fizika ugyanolyan szórakoztató, mint a kémia.
TKF: Milyen akadémiai utat választottál végül asztrochemistaké?
EVD: A Leideni Egyetemen kémiai mesterképzést végeztem, és meggyőződtem arról, hogy folytatni akarom az kvantumkémiai elméletet. De a leideni e területen tanult professzor meghalt. Tehát elkezdtem más lehetőségeket keresni. Abban az időben nem igazán sokat tudtam a csillagászatról. Az akkori barátom és a jelenlegi férjem, Tim volt az, aki éppen előadásokat hallott a csillagközi közegről, és Tim azt mondta nekem: "Tudod, vannak molekulák az űrben!" [Nevetés]
Elkezdtem vizsgálni a disszertáció kidolgozását az űrben levő molekulákról. Az egyik professzorról a másikra mentem. Egy amszterdami kolléga azt mondta nekem, hogy ahhoz, hogy valóban beléphessek az asztrokémia területére, Harvardba kellett mennem, hogy Alexander Dalgarno professzorral dolgozzam. Amint történt, 1979 nyarán Tim és én Kanadába utaztunk, hogy részt vegyenek a Nemzetközi Csillagászati Egyesület Közgyűlésén, Montrealban. Megtudtuk, hogy műholdas üléseket tartottak a Közgyûlés elõtt, és egyikük valójában ebben a különleges parkban zajlott, ahol Tim és én táboroztak. Az ötletünk az volt, hogy "Nos, talán ki kellene ragadnunk ezt a lehetőséget, és meglátogatnánk már ezt a professzort, Dalgarnót!"
Természetesen mindez volt a kempingfelszerelés és ruházat, de nekem volt egy tiszta szoknya, amit feltettem. Tim vezetett a műholdas találkozóra, megtaláltuk az amszterdami kollégámat, aki azt mondta: "Ó, jó, bemutatkozom Dalgarno professzorral." A professzor elvitt engem, öt percig beszélgettünk, megkérdezte, mit tettem, mi volt az asztrológiai kémiai készségem, aztán azt mondta: "Érdekesnek hangzik; miért nem jössz és dolgozol értem?" Ez nyilvánvalóan kulcsfontosságú pillanat volt.
Így kezdődött az egész. Azóta még soha nem bántam.
TKF: Volt-e más kulcsfontosságú pillanat is, talán már korai gyermekkorban, amelyek a tudósok felé vezettek?
EVD: Valójában igen. Körülbelül 13 éves voltam, és apám éppen egy szombathelyet rendezett a kaliforniai San Diego-ban. A hollandiai középiskolámból távoztam, ahol többnyire latin és görög órákat vettünk, és természetesen néhány matematikát. De kémiai vagy fizikai szempontból még nem volt semmi, és a biológia csak egy-két évvel később kezdődött el.
A san diegói középiskolában úgy döntöttem, hogy nagyon különféle témákat tanulmányoztam. Vettem például spanyolul. Lehetséges volt a tudomány is. Volt egy nagyon jó tanár, aki afro-amerikai nő volt, ami akkoriban, 1968-ban, elég szokatlan volt. Nagyon inspiráló volt. Kísérletei voltak, kérdései voltak, és igazán sikerült bevonnia a tudományba.
TKF: Most az Atacama Nagyméretű milliméter / almilliméter Array (ALMA) ígéretére gondolunk, amely néhány évvel ezelőtt nyílt meg, és amely a legambiciózusabb és legdrágább földi csillagászati projektek valaha is megvalósult. Reinhard Genzel asztrofizikus azért jár, hogy hozzájárul az ezen obszervatórium mögött meghúzódó nemzetközi konszenzus kialakításához. Hogyan indította el az ALMA ügyét?
EVD: Az ALMA elképesztő sikert mutatott be, mivel a premier megfigyelőközpont ebben a különleges milliméter- és submilliméter-tartományban található, amely fontos ablak a molekulák megfigyelésében az űrben. Manapság az ALMA 66 rádióteleszkópból áll, 7- és 12 méteres konfigurációkkal, amelyek Chilében egy magas tengerszint feletti síkon nyúlnak át. Nagyon hosszú út volt elérni oda, ahol most vagyunk!
Az ALMA sok ezer ember álmainak eredménye. Az ALMA egyesült államokbeli tudományos tanácsadó bizottságában az európai oldal két tagja voltam. Az Egyesült Államokban töltött hat éves tapasztalatom óta jól ismerem az észak-amerikai tudományos közösséget. A két fél, valamint Japán is nagyon eltérően fogalmazta meg az ALMA-t. Az európaiak egy távcsőre gondoltak, amelyet felhasználhatnának a mély, nagyon korai világegyetem kémiájához, míg az észak-amerikaiak sokkal inkább a nagyméretű, nagy felbontású képalkotásra gondolkodtak; az egyik csoport a nyolc méter távcsövek építéséről beszélt, a másik a 15 méteres távcsövek építéséről beszélt. [Találkozzon az ALMA-val: Csodálatos fotók az óriás rádióteleszkópról]
Tehát én voltam az egyik ember, aki segített összehozni ezt a két érvet. Azt mondtam: "Ha sokkal nagyobb tömböt épít fel, akkor valójában mindannyian nyerünk." A terv az volt, hogy nagyobb számú távcsövet vontasson egy tömbbe, nem pedig különálló tömbökbe, amelyek nem olyan nagy teljesítményűek. És ez történt. Meghatároztuk azt a hangot, hogy együtt dolgozzunk ezen a fantasztikus projekten, nem pedig versenytársakként.
TKF: Milyen új határokat nyit az ALMA az asztrokémia területén?
EVD: A nagy ugrás, amelyet az ALMA-val hajtunk végre, térbeli felbontásban van. Képzelje el, hogy felülről néz egy városra. Az első Google Earth-képek nagyon szegények voltak - alig láttál semmit; egy város nagy robbantás volt. Azóta a képek élesebbé és élesebbé váltak, mivel a térbeli felbontás javult a fedélzeti műholdak kameráival. Manapság láthatjuk a csatornákat [holland városokban], az utcákat, sőt különálló házakat is. Valóban láthatja, hogy az egész város össze van építve.
Ugyanez történik most a bolygók születési helyeivel, amelyek ezek a kis csillagok körüli apró lemezek. Ezek a lemezek száz-ezer alkalommal kisebbek, mint azok a felhők, amelyeket korábban megnéztek, ahol csillagok születnek. Az ALMA-val olyan régiókra zoomolunk, ahol új csillagok és bolygók alakulnak ki. Ezek valóban a megfelelő skálák annak megértéséhez, hogy ezek a folyamatok hogyan működnek. És az ALMA, egyedülálló módon, rendelkezik a spektroszkópiai képességekkel, hogy felismerje és tanulmányozza az ezekben a folyamatokban részt vevő molekulák nagyon széles skáláját. Az ALMA fantasztikus lépés előrehaladáshoz képest mindazokkal, amelyek korábban voltak.
TKF: Az új távcsövek, amelyeket karrierje során használtak, rendkívülinek bizonyultak. Ugyanakkor még mindig korlátozottak vagyunk abban, hogy mit láthatunk a kozmoszban. Amikor előre gondolkodik a távcsövek jövő generációi számára, mit reménykednek látni?
EVD: Kutatásunk következő lépése a James Webb Űrtávcső [JWST], amelyet 2021-ben indítanak el. A JWST-vel nagyon örülök annak, hogy szerves molekulákat és vizet láthassunk még kisebb léptékben és a bolygó különböző részein is. zónák kialakítása, mint az ALMA esetén lehetséges.
De az ALMA hosszú távon nélkülözhetetlen kutatásunk szempontjából - további 30-50 év. Még mindig van annyi, amit fel kell fedeznünk az ALMA-val. Az ALMA azonban nem segíthet nekünk egy bolygóképző korong belső részének tanulmányozásában, azon a skálán, ahogyan a Földünk kialakult, csak egy rövid távolságra a Naptól. A lemezen lévő gáz ott sokkal melegebb, és az általa kibocsátott infravörös fényt olyan eszköz segítségével rögzíthetjük, amelyet kollégáim és én segítettünk a JWST alkalmazásában.
A JWST az utolsó küldetés, amelyen dolgoztam. Ismét véletlenül bekapcsolódtam, de jó helyzetben voltam az amerikai partnereimmel és kollégáimmal, hogy segítsek. Számos ember, az európai és az USA oldaláról, összejött és azt mondta: "Hé, azt akarjuk, hogy ez az eszköz megvalósuljon, és meg tudjuk csinálni egy 50/50 közötti partnerségben."
TKF: Figyelembe véve a csillagokat és bolygót alkotó építőelemeken végzett munkáját, úgy tűnik, hogy a kozmosz alkalmazható-e vagy akár elősegíti-e az életet?
EVD: Mindig azt mondom, hogy biztosítom az építőelemeket, majd a biológia és a kémia feladata elmondani a történelem többi részét! [Nevetés] Végül is számít, hogy milyen életről beszélünk. Csak a legeredetibb, egysejtű életről beszélünk, amelyről tudjuk, hogy gyorsan felmerült a Földön? Tekintettel az összes rendelkezésre álló összetevőre, nincs ok arra, hogy ez miért nem fordulhat elő olyan milliárd exoplaneta bolygón, amelyekről most már tudjuk, hogy milliókkal keringnek más csillagokon.
A többsejtű és végül az intelligens élet következő lépéseihez viszonyítva még nagyon keveset tudunk megérteni, hogy ez hogyan alakul ki az egyszerűbb életből. De azt hiszem, hogy az összetettség szintjére biztonságos mondani, kevésbé valószínű, hogy ez olyan gyakran fordul elő, mint például a mikrobák. [10 egzoplaneta, amelyek idegen életet adhatnak]
TKF: Hogyan segít az asztrokémia területe megválaszolni a kérdést, hogy van-e idegen élet az univerzumban?
EVD: Az exoplanet légkör kémiájának tanulmányozása segít megválaszolni ezt a kérdést. Sok potenciálisan Föld-szerű egzoplanket találunk. A következő lépés spektrális ujjlenyomatok keresése, amelyeket már említettem a bolygók légkörében. Ezekben az ujjlenyomatokban kifejezetten „biomolekulákat” vagy molekulák kombinációit keressük, amelyek jelzik az élet valamilyen formájának jelenlétét. Ez nem csak a vizet, hanem az oxigént, az ózonot, a metánt és még sok minden mást jelent.
Jelenlegi távcsöveink csak alig tudják felismerni ezeket az ujjlenyomatokat az exoplanetek légkörében. Ezért építjük az óriási földi távcsövek következő generációját, például az Extremely Large Telescope, amelynek tükörje körülbelül háromszor nagyobb, mint a mai körül. Elkötelezettek vagyok abban, hogy ezt és más új eszközöket tudományosan megalapozzam, és a bio-aláírások valóban az egyik legfontosabb cél. Ez az izgalmas út, ahova az asztrokémia megy.
