Wrażenie artysty z Obserwatorium Kosmicznego Herschela z obserwacjami formowania się gwiazd w Mgławicy Rozeta w tle.
(Zdjęcie: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, pisarz i redaktor Fundacji Kavli, napisał ten artykuł w Space.com Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Laureat Nagrody Kavli w 2018 roku, od przypadkowych podróży na kempingu po wypracowanie międzynarodowego konsensusu w sprawie dużych budżetów obserwatoriów, opowiada o swojej osobistej i zawodowej podróży w dziedzinie astrochemii.
NIE CAŁA MIEJSCE JEST TAKIE MIEJSCE BARREN. Galaktyki są pełne zapylonych chmur zawierających bogate gulasze cząsteczek, od prostych gazowych wodoru do złożonych substancji organicznych o kluczowym znaczeniu dla rozwoju życia. Zrozumienie, w jaki sposób wszystkie te kosmiczne składniki łączą się w formowanie gwiazd i planet, było dziełem życia Ewine van Dishoeck.
Z wykształcenia chemik van Dishoeck wkrótce zwróciła oczy na kosmos. Była pionierem wielu osiągnięć w dziedzinie astrochemii, wykorzystując najnowsze teleskopy do odkrywania i opisywania zawartości ogromnych chmur z gwiazdami. Równolegle van Dishoeck kontynuował eksperymenty laboratoryjne i obliczenia kwantowe terra firma aby zrozumieć rozkład cząsteczek kosmicznych w świetle gwiazd, a także warunki, w których nowe cząsteczki układają się razem, jak klocki Lego. [8 Baffling Astronomy Mysteries]
„Za jej łączny wkład w astrochemię obserwacyjną, teoretyczną i laboratoryjną, wyjaśniający cykl życia chmur międzygwiezdnych oraz powstawanie gwiazd i planet” van Dishoeck otrzymał nagrodę Kavli w dziedzinie astrofizyki w 2018 roku. Jest tylko drugim laureatem w każdej dziedzinie, która została wyróżniona jako jedyna laureatka nagrody w swojej historii.
Aby dowiedzieć się więcej o jej przełomowej karierze w dziedzinie astrochemii i o tym, co będzie dalej w tej dziedzinie, Fundacja Kavli rozmawiała z van Dishoeckiem z jej biura w Obserwatorium w Leiden na Uniwersytecie w Leiden w Holandii, tuż przed jej udziałem w grillu dla pracowników. Van Dishoeck jest profesorem astrofizyki molekularnej i prezydentem-elektem Międzynarodowej Unii Astronomicznej (IAU).
Poniżej znajduje się zredagowany zapis dyskusji przy okrągłym stole. Van Dishoeck miała możliwość zmiany lub edycji swoich uwag.
FUNDACJA KAVLI: Co astrochemia mówi nam o nas samych i wszechświecie, w którym żyjemy?
EWINE VAN DISHOECK: Ogólna historia opowiedziana przez astrochemię brzmi: jakie jest nasze pochodzenie? Skąd pochodzimy, jak zostaliśmy zbudowani? Jak powstała nasza planeta i słońce? To ostatecznie prowadzi nas do próby odkrycia podstawowych elementów składających się na słońce, Ziemię i nas. To jest jak Legos - chcemy wiedzieć, jakie elementy były w zestawie Lego dla naszego układu słonecznego.
Najbardziej podstawowymi elementami budującymi są oczywiście pierwiastki chemiczne, ale sposób, w jaki te pierwiastki łączą się, tworząc większe elementy budulcowe - molekuły - w kosmosie ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, jak powstało wszystko inne.
TKF: Ty i inni badacze zidentyfikowaliście już ponad 200 tych molekularnych elementów budulcowych w kosmosie. Jak zmieniło się to pole w trakcie twojej kariery?
EVD: W latach 70. zaczęliśmy odkrywać, że bardzo niezwykłe cząsteczki, takie jak jony i rodniki, są stosunkowo obfite w przestrzeni. Cząsteczek tych brakuje lub mają niesparowane elektrony. Na Ziemi nie trwają długo, ponieważ szybko reagują na każdą inną spotykaną materię. Ale ponieważ przestrzeń jest tak pusta, jony i rodniki mogą żyć przez dziesiątki tysięcy lat, zanim wpadną na coś.
Teraz zmierzamy w kierunku identyfikacji cząsteczek obecnych w samym sercu regionów, w których formują się nowe gwiazdy i planety, właśnie w tym momencie. Przechodzimy obok dostrzegania izolowanych jonów i rodników w bardziej nasyconych cząsteczkach. Należą do nich cząsteczki organiczne [zawierające węgiel] w najprostszych postaciach, takie jak metanol. Z tego podstawowego budulca metanolu można zbudować cząsteczki, takie jak aldehyd glikolowy, który jest cukrem, i glikol etylenowy. Obie są molekułami „prebiotycznymi”, co oznacza, że są wymagane do ostatecznego powstania cząsteczek życia.
To, gdzie porusza się pole astrochemiczne, jest dalekie od inwentaryzacji cząsteczek i próby zrozumienia, w jaki sposób powstają te różne cząsteczki. Próbujemy również zrozumieć, dlaczego możemy znaleźć większe ilości niektórych cząsteczek w określonych regionach kosmicznych w porównaniu do innych rodzajów cząsteczek.
TKF: To, co właśnie powiedziałeś, przypomina mi analogię: w astrochemii nie chodzi już o wyszukiwanie nowych cząsteczek w kosmosie - coś w rodzaju zoologów poszukujących nowych zwierząt w dżungli. Pole dotyczy teraz bardziej „ekologii” interakcji tych zwierząt molekularnych i tego, dlaczego jest ich tak wiele w kosmosie, ale jest ich tak niewiele i tak dalej.
EVD: To dobra analogia! W miarę jak rozumiemy fizykę i chemię powstawania gwiazd i planet, znacząca część zastanawia się, dlaczego niektóre cząsteczki są obfite w niektórych regionach międzygwiezdnych, ale są „wymarłe”, tak jak zwierzęta mogą być w innych regionach.
Jeśli kontynuujemy waszą metaforę, rzeczywiście istnieje wiele interesujących interakcji między cząsteczkami, które można przyrównać do ekologii zwierząt. Na przykład temperatura jest czynnikiem kontrolującym zachowanie i interakcje cząsteczek w kosmosie, co również wpływa na aktywność zwierząt i miejsce ich zamieszkania, i tak dalej.
TKF: Wracając do idei bloków konstrukcyjnych, jak dokładnie działa proces budowania w astrochemii?
EVD: Ważną koncepcją budowy molekuł w przestrzeni jest ta, którą znamy z codziennego życia tutaj na Ziemi, zwana przejściami fazowymi. To wtedy ciało stałe topi się w ciecz lub ciecz paruje w gaz i tak dalej.
Teraz w kosmosie każda cząsteczka ma swoją własną „linię śniegu”, która stanowi podział między fazą gazową a fazą stałą. Na przykład woda ma linię śniegu, gdzie przechodzi od wodnego gazu do wodnego lodu. Powinienem zwrócić uwagę, że płynne formy pierwiastków i cząsteczek nie mogą istnieć w kosmosie, ponieważ istnieje zbyt mały nacisk; woda może być płynna na Ziemi z powodu ciśnienia atmosferycznego planety.
Wracając do linii śniegu, odkrywamy, że odgrywają one bardzo ważną rolę w tworzeniu planet, kontrolując wiele chemii. Jednym z najważniejszych klocków Lego, które można powiedzieć, jest tlenek węgla. Znamy tlenek węgla na Ziemi, ponieważ jest on wytwarzany na przykład podczas spalania. Ja i moi koledzy wykazaliśmy w laboratorium w Leiden, że tlenek węgla jest punktem wyjścia do tworzenia o wiele bardziej złożonych substancji organicznych w kosmosie. Zamrażanie tlenku węgla z gazu do fazy stałej jest kluczowym pierwszym krokiem do dodania klocków budulcowych wodoru. Takie postępowanie pozwala budować coraz większe cząsteczki, takie jak formaldehyd [CH2O], a następnie metanol, przejdź do aldehydu glikolowego, jak omówiliśmy, lub możesz nawet przejść do bardziej złożonych cząsteczek, takich jak glicerol [C3H.8O3].
To tylko jeden przykład, ale daje poczucie, jak przebiega proces budowania w astrochemii.
TKF: Wspomniałeś właśnie o swoim laboratorium w Obserwatorium w Leiden Sackler Laboratory for AstrophysicsRozumiem, że to pierwsze laboratorium astrofizyki. Jak to się stało i co tam osiągnąłeś?
EVD: Zgadza się. Mayo Greenberg, pionier astrochemik, otworzył laboratorium w latach 70. XX wieku i był to naprawdę pierwszy tego typu astrofizyka na świecie. Przeszedł na emeryturę, a potem pracowałem dalej. W końcu zostałem dyrektorem tego laboratorium na początku lat 90. i tak pozostałem do około 2004 r., Kiedy to kolega objął kierownictwo. Nadal tam współpracuję i przeprowadzam eksperymenty.
To, co udało nam się osiągnąć w laboratorium, to ekstremalne warunki kosmiczne: jego chłód i promieniowanie. Możemy odtworzyć temperatury w przestrzeni do 10 kelwinów [minus 442 stopnie Fahrenheita; minus 260 stopni Celsjusza], czyli nieco powyżej absolutnego zera. Możemy również odtworzyć intensywne promieniowanie ultrafioletowe w świetle gwiazd, którym podlegają cząsteczki w obszarach powstawania nowych gwiazd. [Star Quiz: Przetestuj swoje inteligentne gwiazdy]
Tam, gdzie nam się nie udaje, jest odtworzenie pustki przestrzeni, próżni. Uważamy, że ultra wysoka próżnia w laboratorium ma rzędu 108 do 1010 [sto milionów do dziesięciu miliardów] cząstek na centymetr sześcienny. To, co astronomowie nazywają gęstą chmurą, w której zachodzi formowanie się gwiazd i planet, ma tylko około 104lub około 10 000 cząstek na centymetr sześcienny. Oznacza to, że gęsta chmura w kosmosie jest jeszcze milion razy bardziej pusta niż to, co możemy zrobić w laboratorium!
Ale to ostatecznie działa na naszą korzyść. W skrajnej próżni kosmicznej chemia, którą chcemy zrozumieć, porusza się bardzo, bardzo powoli. To po prostu nie zadziała w laboratorium, w którym nie możemy czekać 10 000 lub 100 000 lat na molekuły zderzające się ze sobą i wchodzące w interakcje. Zamiast tego musimy być w stanie zareagować w ciągu jednego dnia, aby nauczyć się czegokolwiek w skali czasowej kariery naukowej człowieka. Przyspieszamy więc wszystko i możemy przełożyć to, co widzimy w laboratorium na znacznie dłuższe skale czasu w przestrzeni.
TKF: Oprócz pracy w laboratorium w trakcie swojej kariery korzystałeś z szeregu teleskopów do badania molekuł w kosmosie. Jakie instrumenty były niezbędne dla twoich badań i dlaczego?
EVD: Nowe instrumenty były kluczowe podczas całej mojej kariery. Astronomia opiera się na obserwacjach. Posiadanie coraz potężniejszych teleskopów o nowych długościach fal świetlnych jest jak patrzenie na wszechświat różnymi oczami.
Aby dać wam przykład, pod koniec lat 80. wróciłem do Holandii, kiedy kraj był mocno zaangażowany w Obserwatorium Kosmiczne w podczerwieni, czyli ISO, misję prowadzoną przez Europejską Agencję Kosmiczną [ESA]. Miałem wielkie szczęście, że ktoś przez 20 lat ciężko pracował, aby ten teleskop stał się rzeczywistością i z radością mógłbym go używać! ISO było bardzo ważne, ponieważ otworzyło spektrum podczerwieni, w którym mogliśmy zobaczyć wszystkie te sygnatury spektralne, takie jak chemiczne odciski palców, lodów, w tym wody, które odgrywają ważną rolę w tworzeniu gwiazd i planet, aw przypadku wody są oczywiście kluczowe dla życia. To był świetny czas.
Kolejną bardzo ważną misją było Obserwatorium Kosmiczne Herschela, z którym osobiście zaangażowałem się jako student w 1982 roku. Od strony chemii było jasne, że Herschel był główną misją dla cząsteczek międzygwiezdnych, a w szczególności „podążania za szlak wodny. ” Ale najpierw musieliśmy przedstawić ESA uzasadnienie naukowe. Przez kilka lat jeździłem do Stanów Zjednoczonych i brałem udział w podobnych dyskusjach, w których pomagałem Herschelowi w opracowaniu naukowym dla amerykańskich agencji finansujących. Było to wielkim impulsem, dopóki misja nie została ostatecznie zatwierdzona pod koniec lat 90. Potem jeszcze 10 lat zajęło zbudowanie i uruchomienie, ale w końcu otrzymaliśmy nasze pierwsze dane pod koniec 2009 roku. Więc od 1982 do 2009 roku - to był długi okres! [Zdjęcia: niesamowite zdjęcia w podczerwieni Obserwatorium Herschela]
TKF: Kiedy i gdzie zakorzeniła się twoja miłość do przestrzeni i chemii?
EVD: Moją główną miłością były zawsze cząsteczki. Zaczęło się to w szkole średniej od bardzo dobrego nauczyciela chemii. Wiele zależy od naprawdę dobrych nauczycieli i nie sądzę, że ludzie zawsze zdają sobie sprawę, jak ważne jest to. Dopiero kiedy dostałem się na studia, zdałem sobie sprawę, że fizyka jest tak samo zabawna jak chemia.
TKF: Jaką ścieżkę akademicką podjąłeś, aby ostatecznie zostać astrochemikiem?
EVD: Na uniwersytecie w Leiden ukończyłem chemię i byłem przekonany, że chcę kontynuować teoretyczną chemię kwantową. Ale profesor w tej dziedzinie w Leiden zmarł. Zacząłem więc rozglądać się za innymi opcjami. Naprawdę niewiele wtedy wiedziałem o astronomii. To był mój ówczesny chłopak i obecny mąż Tim, który właśnie wysłuchał zestawu wykładów na temat ośrodka międzygwiezdnego, a Tim powiedział do mnie: „Wiesz, w kosmosie są też cząsteczki!”. [Śmiech]
Zacząłem rozważać możliwość pracy magisterskiej na temat molekuł w kosmosie. Chodziłem od jednego profesora do drugiego. Kolega z Amsterdamu powiedział mi, że aby naprawdę wejść w dziedzinę astrochemii, musiałem udać się na Harvard, aby pracować z profesorem Alexandrem Dalgarno. Tak się złożyło, że latem 1979 r. Tim i ja podróżowaliśmy do Kanady, aby wziąć udział w Zgromadzeniu Ogólnym Międzynarodowej Unii Astronomicznej w Montrealu. Dowiedzieliśmy się, że przed Zgromadzeniem Ogólnym odbywały się spotkania satelitarne, a jedno z nich faktycznie miało miejsce w tym konkretnym parku, w którym razem z Timem biwakowaliśmy. Pomysł, który mieliśmy, brzmiał: „Może powinniśmy skorzystać z okazji i już zobaczyć się z profesorem Dalgarno!”.
Oczywiście mieliśmy cały sprzęt kempingowy i odzież, ale miałem ze sobą jedną czystą spódnicę, którą założyłem. Tim zawiózł mnie na spotkanie satelitarne, znaleźliśmy mojego kolegę z Amsterdamu, a on powiedział: „Och, dobrze, przedstawię cię profesorowi Dalgarno”. Profesor zabrał mnie na zewnątrz, rozmawialiśmy przez pięć minut, zapytał mnie, co zrobiłem, jaki był mój zestaw umiejętności astrochemicznych, a potem powiedział: „Brzmi interesująco; dlaczego nie przyjdziesz i nie będziesz dla mnie pracował?”. To był oczywiście decydujący moment.
Tak to się zaczęło. Odtąd nigdy nie żałowałem ani chwili.
TKF: Czy były inne kluczowe momenty, być może na początku dzieciństwa, które zapoczątkowały drogę do bycia naukowcem?
EVD: Aktualnie tak. Miałem około 13 lat, a mój ojciec właśnie zorganizował urlop w San Diego w Kalifornii. Opuściłem szkołę średnią w Holandii, gdzie głównie uczęszczaliśmy na lekcje łaciny i greki oraz oczywiście matematykę. Ale nie mieliśmy jeszcze nic w zakresie chemii ani fizyki, a biologia zaczęła się dopiero co najmniej rok lub dwa lata później.
W gimnazjum w San Diego postanowiłem studiować bardzo różne tematy. Na przykład brałem hiszpański. Była też możliwość uprawiania nauki. Miałem bardzo dobrego nauczyciela, którym była Afroamerykanka, co w 1968 roku było dość niezwykłe. Była po prostu bardzo inspirująca. Miała eksperymenty, miała pytania i naprawdę udało jej się wciągnąć mnie w naukę.
TKF: Patrząc w przyszłość na obietnicę Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), która została otwarta kilka lat temu i jest jednym z najbardziej ambitnych i najdroższych naziemnych projektów astronomicznych, jakie kiedykolwiek zrealizowano. Astrofizyk Reinhard Genzel przypisuje ci pomoc w wypracowaniu międzynarodowego konsensusu stojącego za tym obserwatorium. Jak przedstawiłeś sprawę ALMA?
EVD: ALMA odniosła niesamowity sukces jako pierwsze obserwatorium w tym specjalnym zakresie światła milimetrowego i submilimetrowego, które jest ważnym oknem do obserwacji cząsteczek w przestrzeni. Dzisiaj ALMA składa się z 66 radioteleskopów o konfiguracjach 7- i 12-metrowych, które rozciągają się na równinie na dużej wysokości w Chile. Droga do miejsca, w którym teraz jesteśmy, była bardzo długa!
ALMA to wynik marzeń wielu tysięcy ludzi. Byłem jednym z dwóch członków ze strony europejskiej w amerykańskim komitecie doradczym ds. Nauki dla ALMA. Dobrze znałem społeczność naukową z Ameryki Północnej od sześciu lat pracy w USA. Obie strony, podobnie jak Japonia, miały bardzo różne koncepcje dla ALMA. Europejczycy zastanawiali się nad teleskopem, który mógłby być użyty do chemii głębokiej, bardzo wczesnego wszechświata, podczas gdy Amerykanie Północni myśleli znacznie więcej o obrazowaniu na dużą skalę w wysokiej rozdzielczości; jedna grupa mówiła o budowie ośmiometrowych teleskopów, druga o 15-metrowych teleskopach. [Poznaj ALMA: Niesamowite zdjęcia z gigantycznego radioteleskopu]
Byłem więc jednym z ludzi, którzy pomogli połączyć te dwa argumenty. Powiedziałem: „Jeśli zbudujesz dużo większy zestaw, wszyscy wygramy”. Plan polegał na zebraniu większej liczby teleskopów w jednym szeregu, zamiast oddzielnych układów, które nie są tak potężne. I tak się stało. Nadajemy ton współpracy razem nad tym fantastycznym projektem, a nie konkurowaniu.
TKF: Jakie nowe granice otwiera ALMA w astrochemii?
EVD: Wielkim skokiem, który wykonujemy za pomocą ALMA, jest rozdzielczość przestrzenna. Wyobraź sobie, że patrzysz na miasto z góry. Pierwsze obrazy z Google Earth były bardzo słabe - prawie nic nie widziałeś; miasto było wielką kroplą. Od tego czasu obrazy stają się coraz ostrzejsze, ponieważ rozdzielczość przestrzenna poprawiła się wraz z kamerami na pokładzie satelitów. Obecnie można oglądać kanały [w holenderskich miastach], ulice, a nawet pojedyncze domy. Naprawdę możesz zobaczyć, jak całe miasto jest połączone.
To samo dzieje się teraz z miejscami narodzin planet, którymi są te małe dyski wokół młodych gwiazd. Te dyski są od stu do tysiąca razy mniejsze niż chmury, na które patrzyliśmy wcześniej, w których rodzą się gwiazdy. Dzięki ALMA przybliżamy regiony, w których powstają nowe gwiazdy i planety. To są naprawdę odpowiednie skale do zrozumienia, jak działają te procesy. Wyjątkowo ALMA ma możliwości spektroskopowe do wykrywania i badania bardzo szerokiego zakresu cząsteczek zaangażowanych w te procesy. ALMA to fantastyczny krok naprzód w stosunku do wszystkiego, co mieliśmy wcześniej.
TKF: Nowe teleskopy, z których korzystałeś w ciągu swojej kariery, okazały się niezwykłe. Jednocześnie nadal jesteśmy ograniczeni co do tego, co możemy zobaczyć w kosmosie. Kiedy myślisz o przyszłych pokoleniach teleskopów, co masz nadzieję zobaczyć?
EVD: Kolejnym krokiem w naszych badaniach jest kosmiczny teleskop Jamesa Webba [JWST], który ma wystrzelić w 2021 roku. Dzięki JWST naprawdę nie mogę się doczekać, aby zobaczyć cząsteczki organiczne i wodę w jeszcze mniejszych skalach i w różnych częściach planety. tworząc strefy, niż jest to możliwe w ALMA.
Ale ALMA będzie niezbędna dla naszych badań przez długi czas - kolejne 30 do 50 lat. Jest jeszcze wiele do odkrycia w ALMA. Jednak ALMA nie może nam pomóc zbadać bardzo wewnętrznej części dysku kształtującego planetę, w skali, w której uformowała się nasza Ziemia, w niewielkiej odległości od Słońca. Gaz w dysku jest tam znacznie cieplejszy, a emitowane przez niego światło podczerwone może zostać przechwycone przez instrument, który wraz z moimi kolegami pomogliśmy wdrożyć dla JWST.
JWST to ostatnia misja, nad którą pracowałem. Znów przypadkiem włączyłem się, ale byłem w dobrej sytuacji z moimi amerykańskimi partnerami i współpracownikami. Kilku z nas ze strony europejskiej i amerykańskiej spotkało się i powiedział: „Hej, chcemy, aby ten instrument się pojawił i możemy to zrobić w partnerstwie 50/50”.
TKF: Biorąc pod uwagę twoją pracę na elementach składających się na gwiazdy i planety, czy kosmos wydaje się podatny, a nawet sprzyja życiu?
EVD: Zawsze mówię, że dostarczam elementy składowe, a potem to biologia i chemia opowiadają resztę historii! [Śmiech] Ostatecznie ważne jest, o jakim życiu mówimy. Czy mówimy o najbardziej prymitywnym, jednokomórkowym życiu, które, jak wiemy, powstało szybko na Ziemi? Biorąc pod uwagę wszystkie dostępne składniki, nie ma powodu, dla którego nie mogłoby to powstać na żadnym z miliardów egzoplanet, które obecnie znamy, krążą wokół miliardów innych gwiazd.
Przechodząc do kolejnych etapów wielokomórkowego i ostatecznie inteligentnego życia, bardzo mało rozumiemy, jak to się dzieje z prostszego życia. Myślę jednak, że można powiedzieć, że biorąc pod uwagę poziom złożoności, jest mniej prawdopodobne, że pojawią się tak często, jak, powiedzmy, drobnoustroje. [10 egzoplanet, które mogłyby gościć obce życie]
TKF: W jaki sposób dziedzina astrochemii pomoże nam odpowiedzieć na pytanie, czy istnieje obce życie we wszechświecie?
EVD: Badanie chemii atmosfer egzoplanetnych pomoże nam odpowiedzieć na to pytanie. Znajdziemy wiele potencjalnie podobnych do Ziemi egzoplanet. Następnym krokiem będzie poszukiwanie spektralnych odcisków palców, o których wspomniałem wcześniej, w atmosferach planet. W tych odciskach palców będziemy w szczególności poszukiwać „biocząsteczek” lub kombinacji cząsteczek, które mogłyby wskazywać na obecność jakiejś formy życia. Oznacza to nie tylko wodę, ale także tlen, ozon, metan i wiele innych.
Nasze obecne teleskopy ledwo wykrywają te odciski palców w atmosferach egzoplanet. Właśnie dlatego budujemy następną generację gigantycznych teleskopów naziemnych, takich jak Ekstremalnie Duży Teleskop, który będzie miał zwierciadło, które jest około trzy razy większe niż cokolwiek w okolicy. Jestem zaangażowany w tworzenie uzasadnienia naukowego dla tego i innych nowych instrumentów, a biosignatury są naprawdę jednym z głównych celów. To ekscytujący kierunek, w którym zmierza astrochemia.
