Umjetnikov dojam Herschelove svemirske opservatorije s opažanjem nastajanja zvijezda u magli Rosette u pozadini.
(Slika: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, pisac i urednik zaklade Kavli, pridodao je ovaj članak stručnim časopisima Space.com: Op-Ed & Insights.
Od rijetkih kampiranja do krivotvorenja međunarodnog konsenzusa o velikim proračunskim opservatorijama, dobitnik nagrade Kavli za 2018. godinu govori o svom osobnom i profesionalnom putovanju u područje astrohemije.
NI SVE PROSTORIJE TAKO JE BARRENO MJESTO. Galaksije su ispunjene prašnjavim oblacima koji sadrže bogate molekule krumpira, u rasponu od jednostavnog vodikovog plina do složenih organskih tvari kritičnih za životni razvoj. Shvaćajući kako se svi ti kozmički sastojci miješaju u oblikovanje zvijezda i planeta životno je djelo Ewine van Dishoeck.
Kemičar po obuci, Van Dishoeck ubrzo je skrenuo pogled prema kozmosu. Pionirala je mnogim napretkom u novom astrološkom polju, koristeći najnovije teleskope da bi otkrila i opisala sadržaj ogromnih oblaka koji nose zvijezde. Paralelno s tim, Van Dishoeck je provodio laboratorijske eksperimente i kvantne proračune terra firma da bi se razumio raspad kozmičkih molekula po zvjezdanoj svjetlosti, kao i u uvjetima pod kojima se nove molekule spajaju poput Lego cigle. [8 Zbunjujuća misterija astronomije]
"Za svoj kombinirani doprinos promatračkoj, teorijskoj i laboratorijskoj astrohemiji, rasvjetljavanju životnog ciklusa međuzvjezdanih oblaka i stvaranju zvijezda i planeta", Van Dishoeck je 2018. godine dobila nagradu Kavli za astrofiziku. Ona je tek drugi laureat na bilo kojem području koji se odlikovao kao jedini dobitnik nagrade u svojoj povijesti.
Kako bi saznali više o njezinoj probojnoj karijeri u astrohemiji i što slijedi na tom polju, Zaklada Kavli razgovarala je s van Dishoeckom iz ureda Leiden Observatory na Sveučilištu u Leidenu u Nizozemskoj, neposredno prije nego što je prisustvovala roštilju. Van Dishoeck je profesor molekularne astrofizike i izabrani predsjednik Međunarodne astronomske unije (IAU).
Slijedi uređeni transkript okruglog stola. Van Dishoecku je pružena prilika za izmjenu ili uređivanje njezinih primjedbi.
FONDACIJA KAVLI: Što nam astrohemija govori o sebi i univerzumu u kojem živimo?
EWINE VAN DISHOECK: Ukupna priča koju je ispričala astrohemija glasi: kakvo je naše podrijetlo? Odakle potječemo, kako smo građeni? Kako su nastali naš planet i sunce? To nas u konačnici vodi do pokušaja otkrivanja osnovnih građevnih blokova sunca, Zemlje i nas. To je poput Legosa - želimo znati koji su komadi bili u Legovoj zgradi postavljenoj za naš sunčev sustav.
Najosnovniji građevni blokovi su naravno kemijski elementi, ali kako se ti elementi kombiniraju kako bi stvorili veće građevne blokove - molekule - u prostoru je presudno za razumijevanje kako je sve ostalo nastalo.
TKF: Vi i ostali istraživači identificirali ste više od 200 ovih molekularnih građevnih blokova u svemiru. Kako se teren razvijao tijekom vaše karijere?
EVD: 1970-ih smo počeli otkrivati da su vrlo neobične molekule, poput iona i radikala, relativno obilne u prostoru. Te molekule nedostaju ili imaju nesparene elektrone. Na Zemlji ne istraju dugo jer brzo reagiraju na bilo koju drugu materiju koju sretnu. No, jer je prostor toliko prazan, ioni i radikali mogu živjeti desetinama tisuća godina prije nego što nalete na bilo što.
Sada krećemo prema prepoznavanju molekula prisutnih u samom srcu regija u kojima se formiraju nove zvijezde i planeti, upravo u ovom trenutku. Prolazimo uočavajući izolirane ione i radikale do zasićenijih molekula. Oni uključuju organske molekule [sadrže ugljik] u najjednostavnijim oblicima, poput metanola. Iz tog osnovnog bloka metanola možete izgraditi molekule poput glikolaldehida koji je šećer i etilen glikola. Obje su "prebiotske" molekule, što znači da su potrebne za eventualno stvaranje molekula života.
Tamo gdje se kreće sljedeće astrohemijsko polje dalje je od popisa molekula i do pokušaja razumijevanja kako se stvaraju ove različite molekule. Također pokušavamo shvatiti zašto bismo mogli pronaći veće količine određenih molekula u određenim kozmičkim regijama u odnosu na druge vrste molekula.
TKF: Ono što ste upravo rekli čini mi se analogija: Astrohemija sada manje traži pronalazak novih molekula u svemiru - nalik na zoologe koji traže nove životinje u džungli. Ovo polje se više odnosi na "ekologiju" interakcije tih molekularnih životinja i zašto ih ima toliko mnogo u svemiru, ali tako malo tamo, i tako dalje.
EVD: To je dobra analogija! Dok shvaćamo fiziku i kemiju stvaranja zvijezda i planeta, značajan dio otkriva zašto neke molekule obiluju u određenim međuzvjezdanim regijama, ali su "izumrle", baš kao što bi to mogle biti životinje u drugim regijama.
Ako nastavimo vašu metaforu, doista postoji mnogo zanimljivih interakcija između molekula koje se mogu usporediti sa ekologijom životinja. Na primjer, temperatura je kontrolirajući faktor u ponašanju i interakcijama molekula u svemiru, što također utječe na aktivnost životinja i mjesto u kojem žive, i tako dalje.
TKF: Vraćajući se ideji građevnih blokova, kako točno funkcionira proces izgradnje u astrohemiji?
EVD: Važan koncept za izgradnju molekula u svemiru je onaj koji znamo iz svakodnevnog života ovdje na Zemlji, nazvan fazni prijelazi. To je kad se krutina otopi u tekućinu ili tekućina ispari u plin i tako dalje.
Sada u svemiru svaka molekula ima svoju "liniju snijega", a to je podjela između plinske i krute faze. Tako, na primjer, voda ima liniju snijega, gdje ide od vodenog plina do vodenog leda. Moram napomenuti da tekući oblici elemenata i molekula ne mogu postojati u prostoru jer je premali pritisak; voda može biti tečna na Zemlji zbog pritiska iz atmosfere planeta.
Povratak na linije snijega, otkrivamo da oni igraju vrlo važnu ulogu u formiranju planeta, kontrolirajući puno kemije. Jedan od najvažnijih Lego građevnih blokova, da tako kažemo, ugljični monoksid. Na Zemlji smo upoznati s ugljikovim monoksidom jer se, primjerice, stvara izgaranjem. Moje kolege i ja pokazali smo u laboratoriju u Leidenu da je ugljični monoksid početna točka za iznošenje mnogih složenijih organskih materijala u svemiru. Zamrzavanje ugljičnog monoksida iz plina u čvrstu fazu presudni je prvi korak za dodavanje Lego gradivnih blokova vodika. Na taj način možete nastaviti graditi sve veće i veće molekule poput formaldehida [CH2O], zatim metanol, prelaze na glikolaldehid kao što smo razgovarali, ili čak možete prijeći na složenije molekule poput glicerola [C3H8O3].
To je samo jedan primjer, ali daje vam dojam kako se u astrokemiji odvija proces nadogradnje.
TKF: Upravo ste spomenuli svoj laboratorij u Leiden-ovom opservatoriju Sackler Laboratorij za astrofiziku, za koju razumijem da ima razliku kao prvi u povijesti laboratorij astrofizike. Kako je to bilo i što ste tamo postigli?
EVD: Tako je. Mayo Greenberg, pionirski astrohemičar, pokrenuo je laboratorij 1970-ih i zaista je bio prvi takve vrste za astrofiziku u svijetu. On se povukao i tada sam nastavio laboratorij. Na kraju sam postao direktor ovog laboratorija u ranim 1990-ima i tako sam ostao do 2004. godine, kada je kolega preuzeo vodstvo. I dalje tamo surađujem i vodim eksperimente.
Ono što smo uspjeli postići u laboratoriju su ekstremni uvjeti prostora: njegova hladnoća i zračenje. Možemo reproducirati temperature u prostoru do 10 kelvina [minus 442 stupnja Fahrenheita; minus 260 Celzijevih stupnjeva], što je samo mali zamah iznad apsolutne nule. Također možemo ponovno stvoriti intenzivno ultraljubičasto zračenje iz zvijezda koje su molekule podložne područjima formiranja novih zvijezda. [Star kviz: testirajte svoje zvijezde pametnjakoviće]
Međutim, tamo gdje ne uspijevamo, reproduciramo prazninu prostora, vakuum. Smatramo da će ultra-visoki vakuum u laboratoriju imati za red 108 do 1010 [sto milijuna do deset milijardi] čestica po kubnom centimetru. Ono što astronomi nazivaju gustim oblakom, gdje se događaju formiranje zvijezda i planeta, ima tek oko 104, odnosno oko 10 000 čestica po kubnom centimetru. To znači da je gusti oblak u svemiru još uvijek milijun puta prašniji od najboljeg što možemo učiniti u laboratoriju!
Ali to u konačnici djeluje u našu korist. U ekstremnom vakuumu prostora, kemija koju zanima razumijevanje kreće se vrlo, vrlo sporo. To jednostavno neće uspjeti u laboratoriju, gdje ne možemo čekati 10.000 ili 100.000 godina da se molekule nalete jedna na drugu i međusobno djeluju. Umjesto toga, moramo biti sposobni reagirati u jednom danu da bismo naučili išta o vremenskim razmjerima znanstvene karijere. Na taj način ubrzavamo sve i možemo prevesti ono što vidimo u laboratoriju na daleko duže vremenske skale u prostoru.
TKF: Osim laboratorijskih radova, tijekom karijere koristili ste niz teleskopa za proučavanje molekula u svemiru. Koji su instrumenti bili ključni za vaše istraživanje i zašto?
EVD: Novi instrumenti su bili presudni tijekom cijele moje karijere. Astronomija je zaista vođena zapažanjima. Imati sve snažnije teleskope u novim valnim duljinama svjetlosti je poput gledanja u svemir drugačijim očima.
Da vam dam primjer, vratio sam se u Nizozemsku u kasnim 80-ima, kada je zemlja bila snažno uključena u Infrardeći opservatorij prostora, ili ISO, misiju koju je vodila Europska svemirska agencija [ESA]. Imao sam veliku sreću da je netko drugi 20 godina uložio naporan rad kako bi taj teleskop postao stvarnost i mogao bih ga rado koristiti! ISO je bio vrlo važan jer je otvorio infracrveni spektar u kojem smo mogli vidjeti sve te spektralne potpise, poput kemijskih otisaka prstiju, uključujući i vodu, koji igraju glavnu ulogu u formiranju zvijezda i planeta i u slučaju vode, naravno presudan za život. Bilo je to sjajno vrijeme.
Sljedeća vrlo značajna misija bila je svemirska opservatorija Herschel, u koju sam se osobno uključio kao diplomski student 1982. godine. S kemije je bilo jasno da je Herschel bila glavna misija za međuzvjezdane molekule, a posebno za „praćenje vodena staza. " Ali prvo smo morali prenijeti slučaj znanosti na ESA. Odlazio sam u američki niz godina i vodio slične rasprave ondje gdje sam pomogao da znanstveni slučaj Herschela postane američki agencija za financiranje. Sve je to bio veliki poticaj sve dok misija konačno nije odobrena krajem 1990-ih. Tada je još trajalo 10 godina da se napravi i pokrene, ali konačno smo dobili prve podatke krajem 2009. Dakle, od 1982. do 2009. - to je bio dugotrajan rok! [Fotografije: Nevjerojatne infracrvene slike svemirskog opservatorija Herschel]
TKF: Kada i gdje su se ukorijenile vaše ljubavi prema prostoru i kemiji?
EVD: Moja glavna ljubav uvijek je bila prema molekulama. To je započelo u srednjoj školi s vrlo dobrim nastavnikom kemije. Mnogo ovisi o stvarno dobrim učiteljima, a mislim da ljudi uvijek ne shvaćaju koliko je to važno. Tek kad sam završio fakultet, shvatio sam da je fizika jednako zabavna kao i kemija.
TKF: Koji ste akademski put krenuli da biste na kraju postali astrohemičar?
EVD: Na Sveučilištu Leiden magistrirao sam kemiju i uvjeren sam da želim nastaviti s teorijskom kvantnom kemijom. Ali profesor na tom polju u Leidenu umro je. Tako sam počeo tražiti druge mogućnosti. Stvarno u to vrijeme nisam znao mnogo o astronomiji. Upravo je moj tadašnji dečko i sadašnji suprug Tim upravo čuo skup predavanja o međuzvjezdanom mediju, a Tim mi je rekao: "Znate, u prostoru postoje i molekule!" [Smijeh]
Počeo sam gledati na mogućnost izvođenja teza o molekulama u svemiru. Išao sam od jednog profesora do drugog. Kolega iz Amsterdama rekao mi je da da bih zaista došao u područje astrohemije, moram otići na Harvard raditi sa profesorom Aleksandrom Dalgarnom. Kako se to dogodilo, u ljeto 1979. godine, Tim i ja putovali smo u Kanadu kako bismo prisustvovali Generalnoj skupštini Međunarodne astronomske unije u Montrealu. Saznali smo da su se satelitski sastanci održavali prije Generalne skupštine, a jedan od njih se zapravo dogodio u ovom specifičnom parku u kojem smo Tim i ja kampovali. Ideja koju smo imali je bila: "Pa, možda bismo trebali iskoristiti ovu priliku i već otići vidjeti ovog profesora Dalgarnu!"
Naravno, imali smo svu ovu opremu za kampiranje i odjeću, ali imao sam jednu čistu suknju sa sobom koju sam obukao. Tim me odvezao na satelitski sastanak, našli smo mog kolegu iz Amsterdama, a on je rekao: "O, dobro, upoznat ću vas sa profesorom Dalgarnom." Profesor me izveo vani, razgovarali smo pet minuta, pitao me što sam učinio, što je moj skup vještina astrohemije, a onda je rekao: "Zvuči zanimljivo; zašto ne dođete raditi za mene?" To je očito bio prijelomni trenutak.
Tako je sve počelo. Od tada nikada nisam požalio niti jedan trenutak.
TKF: Jesu li bili još važni trenuci, možda već u djetinjstvu, koji su vas postavili na put da budete znanstvenik?
EVD: Zapravo da. Imao sam oko 13 godina i moj je otac upravo bio dogovorio sabat u San Diegu u Kaliforniji. Otišao sam iz srednje škole u Nizozemskoj, gdje smo uglavnom imali nastavu latinskog i grčkog jezika i, naravno, nešto matematike. Ali još uvijek nismo imali ništa u smislu kemije ili fizike, a biologija nije započela barem jednu ili dvije godine kasnije.
U srednjoj školi u San Diegu odlučio sam proučavati teme koje su vrlo različite. Primjerice, uzeo sam španjolski. Postojala je i mogućnost bavljenja znanošću. Imala sam vrlo dobrog učitelja, afroamerikanca, što je u to vrijeme, 1968., bilo prilično neobično. Bila je samo vrlo inspirativna. Imala je eksperimente, imala je pitanja i stvarno me uspjela uvući u znanost.
TKF: Sada se očekujemo obećanjem velikog milimetra / submilimetarskog niza Atacama (ALMA), koji se otvorio prije nekoliko godina i jedan je od najambicioznijih i najskupljih zemaljskih astronomskih projekata ikad provedenih. Astrofizičar Reinhard Genzel zaslužan vam je za pomaganje u postizanju međunarodnog konsenzusa koji stoji iza ove opservatorije. Kako ste se postavili za ALMA?
EVD: ALMA je postigla nevjerojatan uspjeh kao premijerni opservatorij u ovom posebnom rasponu milimetra i submilimetarskog svjetla koji je važan prozor za promatranje molekula u svemiru. Danas se ALMA sastoji od 66 radio-teleskopa sa 7- i 12-metarskim konfiguracijama koji se protežu preko čipske visine u Čileu. Bio je to vrlo dug put do mjesta gdje sada jesmo!
ALMA je rezultat snova mnogih hiljada ljudi. Bio sam jedan od dva člana s europske strane u američkom znanstvenom savjetodavnom odboru za ALMA. Poznavao sam sjevernoameričku znanstvenu zajednicu iz svojih šest godina rada u SAD-u. Dvije strane, kao i Japan, imali su vrlo različite koncepte za ALMA. Europljani su razmišljali o teleskopu koji bi se mogao koristiti za duboku kemiju vrlo ranog svemira, dok su Sjeverni Amerikanci mnogo više razmišljali o velikim slikama visoke rezolucije; jedna je grupa govorila o izgradnji teleskopa od osam metara, a druga o teleskopima od 15 metara. [Upoznajte ALMA: Nevjerovatne fotografije s divovskog radijskog teleskopa]
Dakle, ja sam bio jedan od ljudi koji je pomogao u spajanju ta dva argumenta. Rekao sam, "Ako izgradite mnogo veći niz, zapravo svi pobjeđujemo." Plan je postao spajanje većeg broja teleskopa u jedan niz, a ne zasebni nizovi koji nisu toliko moćni. I to se dogodilo. Postavili smo ton suradnje na ovom fantastičnom projektu, a ne da budemo konkurencija.
TKF: Koje nove granice su otvaranje ALMA u astrohemiji?
EVD: Veliki skok koji radimo s ALMA-om je u prostornoj rezoluciji. Zamislite da gledate grad odozgo. Prve slike Google Earth bile su vrlo loše - teško da ste išta mogli vidjeti; grad je bio velika mrlja. Otada su slike postale oštrije i oštrije kako se prostorna razlučivost poboljšavala s kamerama na satelitima. Danas možete vidjeti kanale [u nizozemskim gradovima], ulice, čak i pojedinačne kuće. Doista možete vidjeti kako se cijeli grad sastavlja.
Ista stvar se događa sada s rodnim mjestima planeta, a to su ti maleni diskovi oko mladih zvijezda. Ti su diskovi sto do tisuću puta manji od oblaka kojeg smo prije gledali u kojem se rađaju zvijezde. S ALMA-om zumiramo u regije u kojima se formiraju nove zvijezde i planeti. To su stvarno relevantne ljestvice za razumijevanje kako ti procesi rade. A ALMA, jedinstveno, ima spektroskopske sposobnosti za otkrivanje i proučavanje vrlo širokog raspona molekula uključenih u te procese. ALMA je fantastičan korak naprijed od svega što smo imali prije.
TKF: Novi teleskopi koje ste koristili tokom čitave karijere pokazali su se izvanrednim. U isto vrijeme, još uvijek smo ograničeni na ono što možemo vidjeti u kosmosu. Kad razmišljate unaprijed budućim naraštajima teleskopa, čemu se najviše želite nadati?
EVD: Sljedeći korak u našem istraživanju je svemirski teleskop James Webb [JWST], postavljen na tržište 2021. godine. S JWST-om se zaista radujem vidjeti organske molekule i vodu na još manjim mjerilima, i to u različitim dijelovima planeta - stvaranja zona, nego što je to moguće kod ALMA.
Ali ALMA će biti bitna za naša istraživanja još dugo - još 30 do 50 godina. Ima još toliko toga što moramo otkriti s ALMA-om. Međutim, ALMA nam ne može pomoći da proučimo unutarnji dio diska koji formira planetu, i to na skali odakle se formirala naša Zemlja, samo na maloj udaljenosti od sunca. Plin u disku je tamo mnogo topliji, a infracrveno svjetlo koje emitira može se uhvatiti instrumentom koji smo moji kolege i ja pomogli implementirati za JWST.
JWST je posljednja misija na kojoj sam radio. Opet, slučajno sam se uključio, ali bio sam u prilici da s američkim partnerima i kolegama pomognem. Neki od nas s europske i američke strane okupili su se i rekli: "Hej, želimo da se ovaj instrument dogodi i da to možemo učiniti u partnerstvu 50/50."
TKF: S obzirom na vaš rad na građevinskim blokovima koji čine zvijezde i planete, čini li se da kosmos može biti ugodan ili čak pogodan za život?
EVD: Uvijek kažem da pružam građevne blokove, a onda je na biologiji i kemiji da ispričam ostatak priče! [Smijeh] U konačnici, važno je o kakvom životu pričamo. Govorimo li samo o najprimitivnijem, jednoćelijskom životu za koji znamo da je nastao brzo na Zemlji? S obzirom na sve dostupne sastojke, nema razloga zašto se to ne bi moglo pojaviti niti na jednoj od milijardi egzoplaneta za koje sada znamo da kruže oko milijardi drugih zvijezda.
Prelazeći na sljedeće korake višećelijskog i na kraju inteligentnog života, vrlo malo razumijemo kako to proizlazi iz jednostavnijeg života. Ali mislim da je sigurno reći s obzirom na stupanj složenosti, manje je vjerovatno da će se to pojaviti koliko često, recimo, mikrobi. [10 egzoplaneta koji bi mogli ugostiti izvanzemaljski život]
TKF: Kako će nam polje astrohemije pomoći da odgovorimo na pitanje postoji li vanzemaljski život u svemiru?
EVD: Proučavanje kemije atmosfere egzoplaneta ono je što će nam pomoći da odgovorimo na ovo pitanje. Pronaći ćemo mnoge egzoplanete nalik Zemlji. Sljedeći će korak biti potraga za spektralnim otiscima prstiju, koje sam ranije spomenuo, u atmosferi planeta. U tim otiscima tražit ćemo posebno „biomolekule“ ili kombinacije molekula koje bi mogle ukazivati na prisutnost nekog oblika života. To ne znači samo vodu, već kisik, ozon, metan i još mnogo toga.
Naši trenutni teleskopi jedva mogu otkriti te otiske prstiju u atmosferi egzoplaneta. Zato gradimo novu generaciju divovskih zemaljskih teleskopa, poput Extremely Large Telescope-a, koji će imati ogledalo koje je oko tri puta veće od bilo čega danas. Uključen sam u izradu slučaja znanosti za taj i druge nove instrumente, a biosignature su zaista jedan od glavnih ciljeva. To je uzbudljivi smjer u kojem će ići astrohemija.
