Kunstniku mulje Herscheli kosmosevaatluskeskusest koos tähelepanekutega tähtede moodustumisest Rosette'i udukogu taustal.
(Pilt: © C. Carreau / ESA)
Sihtasutuse Kavli kirjanik ja toimetaja Adam Hadhazy tegi selle artikli kaastööd Space.comi veebisaidile Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Alates suundumistest laagrireisidest kuni rahvusvahelise konsensuse saavutamiseni suure eelarvega vaatluskeskustes arutab 2018. aasta Kavli preemia laureaat oma isiklikku ja tööalast rännakut astrokeemia valdkonda.
KÕIK RUUMID EI OLE HÕLMATUD KOHT. Galaktikad on täis tolmuseid pilvi, mis sisaldavad rikkaid molekulide haru, alates lihtsast vesinikgaasist kuni keerukate orgaaniliste aineteni, mis on elu arenguks kriitilised. Ewine van Dishoecki elutöö on olnud mõista, kuidas kõik need kosmilised koostisosad segunevad tähtede ja planeetide moodustamisel.
Väljaõppe saanud keemik, van Dishoeck pööras peagi oma tähelepanu kosmose poole. Ta oli teerajava astrolokeemia valdkonnas palju edusamme, rakendades uusimaid teleskoope, et paljastada ja kirjeldada tohutute tähte kandvate pilvede sisu. Paralleelselt jätkas van Dishoeck laborikatseid ja kvantarvutusi terra firma mõista kosmiliste molekulide lagunemist tähevalguse käes, samuti tingimusi, mille korral uued molekulid üksteise külge laotud nagu Lego tellised. [8 hämmastavat astronoomia mõistatust]
"Tema kombineeritud panuse eest vaatlus-, teoreetilisse ja laboratoorsesse astrokeemiasse, tähtedevaheliste pilvede elutsükli selgitamisel ning tähtede ja planeetide moodustamisel", sai Van Dishoeck 2018. aasta Kavli astrofüüsika auhinna. Ta on alles teine valdkonna laureaat, keda on ajaloo jooksul autasustatud ainsa auhinna saajana.
Et saada rohkem teavet oma läbimurdelise karjääri kohta astrokeemia alal ja selle kohta, mis valdkonnas edasi saab, vestles Kavli fond van Dishoeckiga Madalmaade Leideni ülikooli Leideni observatooriumi kontorist vahetult enne töötajate grillimises osalemist. Van Dishoeck on molekulaarse astrofüüsika professor ja Rahvusvahelise Astronoomia Liidu (IAU) valitud president.
Järgnev on ümarlaua arutelu redigeeritud ärakiri. Van Dishoeckile on antud võimalus oma märkusi muuta või muuta.
KAVLI FOND: Mida räägib astrokeemia meist enda ja universumi kohta, milles me elame?
EWINE VAN DISHOECK: Üldine lugu, mida astrokeemia räägib, on meie päritolu? Kust me tuleme, kuidas meid ehitati? Kuidas moodustas meie planeet ja päike? See viib meid lõpuks selleni, et proovime avastada päikese, Maa ja meie põhilisi ehitusplokke. See on nagu Legos - tahame teada, millised tükid olid meie päikesesüsteemi jaoks Lego hoones.
Kõige elementaarsemad ehitusplokid on muidugi keemilised elemendid, kuid see, kuidas need elemendid kosmoses suuremaid ehitusplokke - molekule moodustavad - on ülioluline, et mõista, kuidas kõik muu sündis.
TKF: teie ja teised teadlased olete nüüd kosmoses tuvastanud enam kui 200 neist molekulaarsetest ehitusplokkidest. Kuidas on valdkond teie karjääri jooksul arenenud?
EVD: 1970ndatel hakkasime leidma, et väga ebatavalisi molekule, näiteks ioone ja radikaale, on kosmoses suhteliselt palju. Nendel molekulidel puuduvad või on paarimata elektronid. Maal ei püsi nad kaua, sest reageerivad kiiresti mis tahes muuga, millega nad kohtuvad. Kuid kuna ruum on nii tühi, võivad ioonid ja radikaalid elada kümneid tuhandeid aastaid, enne kui millekski põrkuvad.
Nüüd liigume nende molekulide tuvastamise poole, mis asuvad just praegu nende piirkondade südames, kus moodustuvad uued tähed ja planeedid. Saame isoleeritud ioonidest ja radikaalidest märksa enam küllastunud molekule. Nende hulka kuuluvad orgaanilised [süsinikku sisaldavad] molekulid kõige lihtsamates vormides, näiteks metanool. Sellest metanooli põhiplokist saate moodustada molekule, näiteks glükolaldehüüdi, mis on suhkur, ja etüleenglükooli. Mõlemad on "prebiootilised" molekulid, mis tähendab, et nad on vajalikud elu molekulide moodustamiseks.
Astrokeemiaväli liigub kaugemale molekulide inventeerimisest ja püüab mõista, kuidas need erinevad molekulid moodustuvad. Üritame ka mõista, miks võime teatud molekulides leida suuremaid koguseid, eriti kosmilistes piirkondades, võrreldes teiste molekulidega.
TKF: See, mida te just ütlesite, paneb mind mõtlema analoogia üle: astrokeemia tähendab nüüd vähem uute molekulide leidmist kosmosest - omamoodi nagu zooloogid, kes otsivad džunglis uusi loomi. See valdkond on nüüd rohkem seotud "ökoloogiaga", kuidas need molekulaarsed loomad omavahel suhtlevad ja miks on siin kosmoses nii palju teatud laadi, aga seal nii vähe jne.
EVD: See on hea analoogia! Kui me hakkame mõistma tähtede ja planeetide moodustamise füüsikat ja keemiat, siis on oluline osa aru saada, miks teatud molekulides on teatud molekulid külluslikud, kuid teistes piirkondades on nad nagu väljasurevad, nagu loomad võivad olla väljasurnud.
Kui me jätkame teie metafoori, on molekulide vahel tõesti palju huvitavaid interaktsioone, mida saab võrrelda loomade ökoloogiaga. Näiteks on temperatuur kosmoses olevate molekulide käitumist ja vastastikmõju kontrolliv tegur, mis mõjutab ka loomade aktiivsust ja elukohta jne.
TKF: Tulles tagasi ehitusplokkide idee juurde, siis kuidas täpselt toimib ülesehitusprotsess astrokeemias?
EVD: Oluline kontseptsioon kosmoses olevate molekulide ehitamisel on see, mida teame siinse Maa igapäevaelust ja mida nimetatakse faasisiireteks. Siis tahke aine sulab vedelikuks või vedelik aurustub gaasiks jne.
Kosmoses on igal molekulil oma "lumeliin", mis jaguneb gaasifaasi ja tahke faasi vahel. Nii on näiteks vees lumejoon, kus see läheb vee gaasist vesijääle. Ma peaksin rõhutama, et elementide ja molekulide vedelad vormid ei saa kosmoses eksisteerida, kuna seal on liiga väike rõhk; vesi võib Maal olla vedel planeedi atmosfääri rõhu tõttu.
Lumejoonte juurde jõudes avastasime nüüd, et neil on planeedi moodustamisel väga oluline roll, kontrollides palju keemiat. Üks olulisemaid Lego tugipunkte, niiöelda, mis me oleme leidnud, on vingugaas. Me tunneme süsinikmonooksiidi Maal, kuna seda toodetakse näiteks põlemisel. Kolleegid ja mina näitasime Leideni laboris, et süsinikmonooksiid on lähtepunkt paljude keerukamate orgaaniliste ainete eraldamiseks kosmoses. Gaasist tahkeks faasiks külmuv süsinikmonooksiid on esmane oluline samm Lego vesiniku plokkide lisamisel. See võimaldab teil hoida suuremaid ja suuremaid molekule, näiteks formaldehüüdi [CH2O], siis metanool, glükolaldehüüdile, nagu me arutasime, või võite minna isegi keerukamate molekulide juurde nagu glütserool [C3H8O3].
See on ainult üks näide, kuid see annab teile aimu, kuidas astrokeemia mängib üles ehitamisprotsessi.
TKF: Mainisite just oma laborit Leideni observatooriumis Sackleri laboratoorium astrofüüsika jaoks, mis minu arusaamist mööda eristab esmakordselt astrofüüsika laborit. Kuidas see sündis ja mida olete seal saavutanud?
EVD: Täpselt nii. Pioneeriks astrokeemik Mayo Greenberg alustas laborit 1970. aastatel ja see oli tõesti esimene omataoline astrofüüsikute jaoks maailmas. Ta läks pensionile ja siis ma jätkasin laborit. Minust sai selle laboratooriumi direktor 1990. aastate alguses ja püsisin selles umbes 2004. aasta paiku, kui üks kolleeg asus juhtima. Teen endiselt koostööd ja viin seal katseid läbi.
See, mis meil laboris õnnestus saavutada, on ruumi ekstreemsed tingimused: selle külmus ja kiirgus. Ruumis võib temperatuur olla kuni 10 kelvinit (miinus 442 kraadi Fahrenheiti järgi); miinus 260 kraadi Celsiuse järgi], mis on vaid natuke üle absoluutse nulli. Samuti võime taastuda ultraviolettkiirgust tähevalguses, mida molekulid mõjutavad uute tähtede moodustumise piirkondades. [Tähtede viktoriin: testige oma tähekesi
Seal, kus ebaõnnestub, on aga ruumi tühjuse, vaakumi taasesitamine. Leiame, et ülikõrge vaakumi suurus laboris on suurusjärgus 108 kuni 10-ni10 [sada miljonit kuni kümme miljardit] osakest kuupsentimeetri kohta. Seda, mida astronoomid nimetavad tihedaks pilveks, kus toimub tähtede ja planeetide moodustumine, on ainult umbes 104ehk umbes 10 000 osakest kuupsentimeetri kohta. See tähendab, et tihe pilv kosmoses on endiselt miljon korda tühjem kui parim, mida laboris teha saame!
Kuid see töötab lõpuks meie kasuks. Kosmose äärmises vaakumis liigub keemia, millest me huvitatud oleme, väga aeglaselt. Seda lihtsalt ei tehta laboris, kus me ei saa oodata 10 000 ega 100 000 aastat, et molekulid üksteisele põrkuvad ja omavahel suhelda saavad. Selle asemel peame suutma päeval reageerida, et õppida midagi inimteadusliku karjääri ajakavas. Nii et kiirendame kõike ja saame laboris nähtu tõlkida kaugemasse kosmosesse.
TKF: Lisaks laboritööle olete oma karjääri jooksul kasutanud mitmesuguseid teleskoope, et uurida molekule kosmoses. Millised instrumendid olid teie uurimistöö jaoks olulised ja miks?
EVD: Uued instrumendid on olnud kogu minu karjääri jooksul üliolulised. Astronoomiat juhivad tõepoolest vaatlused. Üha võimsamate teleskoopide omamine uutes valguse lainepikkustes on nagu universumi vaatamine erinevate silmadega.
Et tuua teile näide, tulin 1980ndate lõpus tagasi Hollandisse, kui see riik oli tihedalt seotud infrapunakosmose vaatluskeskuse ehk ISO-ga, mis on Euroopa Kosmoseagentuuri [ESA] juhitud missioon. Mul oli väga hea meel, et keegi teine oli 20 aasta jooksul teinud kõva tööd selle teleskoobi reaalsuseks muutmiseks ja sain seda õnnelikult kasutada! ISO oli väga oluline, sest see avas infrapunaspektri, kus nägime kõiki neid jääde, sealhulgas vee keemilisi sõrmejälgi, nagu näiteks keemilised sõrmejäljed, millel on suur roll tähtede ja planeetide moodustamisel ning vee puhul, mis on muidugi elu jaoks kriitiline. See oli suurepärane aeg.
Järgmine väga oluline missioon oli Herscheli kosmosevaatluskeskus, millega ma juba 1982. aastal kraadiõppurina isiklikult kaasa lõin. Keemia poolelt oli selge, et Herschel oli tähtedevaheliste molekulide peamine missioon ja eriti "jälgida veerada. " Kuid kõigepealt pidime teaduse juhtima ESA-le. Käisin mitu aastat USA-s ja sattusin sarnastesse aruteludesse seal, kus aitasin Herscheli teaduslikke juhtumeid luua USA rahastamisagentuuridesse. See kõik oli suur tõuge, kuni 1990. aastate lõpus missioon lõplikult heaks kiideti. Siis kulus ehitamiseks ja käivitamiseks veel kümme aastat, kuid lõpuks saime oma esimesed andmed kätte 2009. aasta lõpus. Nii et 1982–2009 - see oli pikk aeg! [Fotod: Herscheli kosmosevaatluskeskuse hämmastavad infrapunapildid]
TKF: Millal ja kus juurdusid teie armastus kosmose ja keemia vastu?
EVD: Minu peamine armastus oli alati molekulide vastu. See algas keskkoolis väga hea keemiaõpetajaga. Palju sõltub tõesti headest õpetajatest ja ma ei usu, et inimesed mõistavad alati, kui oluline see on. Ma sain alles kolledžisse jõudes aru, et füüsika on sama lõbus kui keemia.
TKF: Millise akadeemilise tee te võtsite, et lõpuks astrokeemikuks saada?
EVD: Leideni ülikoolis tegin magistriõppe keemia alal ja olin veendunud, et tahan jätkata teoreetilise kvantkeemiaga. Kuid selle valdkonna professor Leidenis oli surnud. Niisiis hakkasin otsima teisi võimalusi. Ma ei teadnud sel ajal astronoomiast kuigi palju. See oli minu toonane poiss-sõber ja praegune abikaasa Tim, kes oli just kuulnud tähtedevahelisel keskkonnal loenguid ja Tim ütles mulle: "Teate, kosmoses on ka molekule!" [Naer]
Ma hakkasin uurima võimalust teha lõputöö kosmoses leiduvate molekulide kohta. Läksin ühe professori juurest teise juurde. Kolleeg Amsterdamis ütles mulle, et astrokeemia valdkonda pääsemiseks pidin minema Harvardisse, et töötada koos professor Alexander Dalgarnoga. Nagu juhtus, reisisid Tim ja mina 1979. aasta suvel Kanadas, et osaleda Montrealis Rahvusvahelise Astronoomia Liidu Peaassambleel. Saime teada, et satelliidi kohtumised toimusid enne Peaassambleed ja üks neist toimus tegelikult selles konkreetses pargis, kus Tim ja mina telkisime. Meie mõte oli: "Noh, äkki peaksime selle võimaluse ära kasutama ja läheme seda professor Dalgarno juba vaatama!"
Muidugi, meil oli kogu see matkavarustus ja -riietus olemas, aga mul oli kaasas üks puhas seelik, mille ma selga panin. Tim juhatas mind satelliidikoosolekule, me leidsime oma kolleegi Amsterdamist ja ta ütles: "Oh, hea, ma tutvustan teile professor Dalgarnoga." Professor viis mind välja, me rääkisime viis minutit, ta küsis minult, mida ma olin teinud, mis oli minu astrokeemiaoskus, ja siis ta ütles: "Kõlab huvitavalt; miks te ei tule minu juurde ja ei tööta minu heaks?" See oli ilmselgelt pöördeline hetk.
Nii see kõik alguse sai. Ma pole sellest hetkest kunagi kahetsenud.
TKF: Kas oli ka teisi pöördelisi hetki, võib-olla juba lapsepõlves, mis teid teadlaseks saamise teele suunasid?
EVD: Tegelikult jah. Olin umbes 13-aastane ja isa oli just korraldanud Californias San Diegos hingamispäeva. Võtsin puhkuse oma keskkoolist Hollandis, kus olime enamasti võtnud ladina ja kreeka keele tunde ning muidugi ka matemaatikat. Kuid keemia või füüsika osas polnud meil veel midagi ja bioloogia sai alguse alles vähemalt üks või kaks aastat hiljem.
San Diegos keskkoolis otsustasin uurida väga erinevaid teemasid. Võtsin näiteks hispaania keele. Samuti oli võimalus teha teadust. Mul oli väga hea õpetaja, kes oli Aafrika-Ameerika naine, mis tol ajal, 1968. aastal, oli üsna ebatavaline. Ta oli lihtsalt väga inspireeriv. Tal oli katseid, tal oli küsimusi ja ta suutis mind tõepoolest teadusesse tõmmata.
TKF: Vaatame nüüd Atacama suurte millimeetrite / alammillimeetrite massiivi (ALMA) lubadust, mis avati mitu aastat tagasi ja kuulub kõigi aegade ambitsioonikaimate ja kallimate maapealsete astronoomiaprojektide hulka. Astrofüüsik Reinhard Genzel tunnustab teid selle eest, et te aitate selle observatooriumi taga rahvusvahelise konsensuse saavutada. Kuidas te ALMA juhtumi esitasite?
EVD: ALMA on hämmastav edu esietenduse vaatluskeskusena selles spetsiaalses millimeetri ja submillimeetri valguse vahemikus, mis on oluline aken molekulide vaatlemiseks kosmoses. Täna koosneb ALMA 66-st 7–12-meetrise konfiguratsiooniga raadioteleskoobist, mis ulatuvad üle Tšiili kõrgmäestiku. See oli väga pikk tee, et jõuda sinna, kus me praegu oleme!
ALMA on paljude tuhandete inimeste unistuste tulemus. Olin üks kahest Euroopa poole liikmest ALMA USA teaduse nõuandekomitees. Teadsin Põhja-Ameerika teadusringkondi hästi alates oma kuue aasta pikkusest tööst USA-s. Mõlemal poolel, aga ka Jaapanil, olid ALMA kontseptsioonid väga erinevad. Eurooplased mõtlesid teleskoobi peale, mida saaks kasutada sügava, väga varajase universumi keemia jaoks, samal ajal kui põhjaameeriklased mõtlesid palju rohkem suuremahuliste ja kõrge eraldusvõimega kujutiste jaoks; üks rühm rääkis kaheksameetriste teleskoopide ehitamisest, teine 15meetriste teleskoopide ehitamisest. [Tutvuge ALMA-ga: hämmastavad fotod hiiglaslikust raadioteleskoobist]
Nii et ma olin üks neist inimestest, kes aitas need kaks argumenti kokku viia. Ma ütlesin: "Kui ehitate palju suurema massiivi, siis võidame tegelikult kõik." Plaaniks oli koondada ühte massiivi suurem arv teleskoope, mitte eraldi massiive, mis pole nii võimsad. Ja nii juhtuski. Valisime selle fantastilise projekti kallal koostöö tegemise tooni, selle asemel, et olla konkurendid.
TKF: Milliseid uusi piire avab ALMA astrokeemias?
EVD: Suur hüpe, mille teeme ALMA-ga, on ruumilises eraldusvõimes. Kujutage ette, kui vaatate linna ülalt. Esimesed Google Earth'i pildid olid väga viletsad - te ei näinud peaaegu midagi; linn oli suur kämp. Pärast seda on pildid teravamaks muutunud, kuna satelliitide pardal olevate kaamerate abil on ruumiline eraldusvõime paranenud. Tänapäeval võite näha kanaleid [Hollandi linnades], tänavaid, isegi üksikuid maju. Näete tõesti, kuidas kogu linn kokku on pandud.
Sama asi juhtub ka praegu planeetide sünnikohtadega, mis on need pisikesed kettad noorte tähtede ümber. Need kettad on sada kuni tuhat korda väiksemad kui pilved, mida oleme varem vaadanud, kus tärnid sünnivad. ALMA abil suumime piirkondadesse, kus moodustuvad uued tähed ja planeedid. Need on tõesti asjakohased skaalad, et mõista, kuidas need protsessid toimivad. Ja ainuüksi ALMA-l on spektroskoopilised võimalused tuvastada ja uurida väga mitmesuguseid neis protsessides osalevaid molekule. ALMA on fantastiline samm edasi kõigest, mis meil varem olnud on.
TKF: Uued teleskoobid, mida olete saanud oma karjääri jooksul kasutada, on osutunud erakordseteks. Samal ajal oleme endiselt piiratud sellega, mida me kosmoses näeme. Kui mõtlete tuleviku teleskoopide põlvkonnale ette, mida te kõige rohkem loodate näha?
EVD: Järgmine samm meie teadustöös on James Webbi kosmoseteleskoop [JWST], mis käivitati 2021. aastal. JWST-iga ootan ma väga, et saaksin näha orgaanilisi molekule ja vett veelgi väiksematel skaaladel ja planeedi erinevates osades - moodustades tsoone, kui see on ALMA abil võimalik.
Kuid ALMA on meie uurimistöö jaoks hädavajalik veel pikka aega - veel 30–50 aastat. ALMAga on meil veel nii palju vaja avastada. Kuid ALMA ei saa meil aidata uurida planeedi moodustava ketta sisemist osa, selle skaala järgi, kus meie Maa moodustas, vaid veidi eemal Päikesest. Ketta gaas on seal palju soojem ja selle kiirgavat infrapunavalgust saab hõivata instrumendiga, mida mu kolleegid koos minuga on aidanud JWST-i jaoks rakendada.
JWST on viimane missioon, mille kallal olen töötanud. Jälle sattusin juhuslikult, kuid olin oma ameerika partnerite ja kolleegidega abistamiseks heas positsioonis. Mitu Euroopa ja USA osapoolt tulid kokku ja ütlesid: "Kuule, me tahame selle vahendi ellu viia ja saame seda teha 50/50 partnerluses."
TKF: Arvestades teie tööd tähtedest ja planeetidest koosnevate ehitusplokkidega, näib kosmos kohanemisvõimeline või isegi elu soodustav?
EVD: Ma ütlen alati, et pakun ehituskivid ja siis on ülejäänud lugu rääkida bioloogiast ja keemiast! [Naer] Lõppkokkuvõttes on oluline, millisest elust me räägime. Kas me räägime kõige primitiivsemast üherakulisest elust, mis meie teada tekkis Maa peal kiiresti? Arvestades kõiki meie käsutuses olevaid koostisosi, pole ühtegi põhjust, miks see ei võiks tekkida ühegi miljardi eksoplaneedi kohta, mida me praegu teame, et tiirleb miljardeid teisi tähti.
Liikudes mitmerakulise ja lõpuks intelligentse elu järgmiste sammudeni, mõistame veel väga vähe, kuidas see lihtsamast elust välja tuleb. Kuid ma arvan, et keerukuse taset arvestades on ohutu öelda, on vähem tõenäoline, et see tekib nii sageli kui näiteks mikroobid. [10 eksoplaneeti, mis võiksid võõrast elu võõrustada]
TKF: Kuidas aitab astrokeemia valdkond meil vastata küsimusele, kas seda on võõras elu universumis?
EVD: Sellele küsimusele aitab vastata eksoplaneedi atmosfääri keemia õppimine. Me leiame palju potentsiaalselt Maa-sarnaseid eksoplaneete. Järgmine samm on spektriliste sõrmejälgede otsimine, mida ma juba varem mainisin, planeetide atmosfäärist. Nendes sõrmejälgedes otsime spetsiaalselt "biomolekule" või molekulide kombinatsioone, mis võiksid viidata mingile eluvormile. See ei tähenda ainult vett, vaid ka hapnikku, osooni, metaani ja palju muud.
Meie praegused teleskoobid suudavad neid sõrmejälgi vaevu tuvastada eksoplaneetide atmosfääris. Seetõttu ehitame järgmise põlvkonna hiiglaslikke maapealseid teleskoope, näiteks Äärmiselt suur teleskoop, millel on peegel, mis on umbes kolm korda suurem kui tänapäeva ümber. Olen kaasatud selle ja teiste uute vahendite teadusliku põhjendamisse ning biosignatuurid on tõesti üks peamisi eesmärke. See on põnev suund, kuhu astrokeemia läheb.
