Det kræver et rig og mangfoldigt sæt komplekse molekyler for at ting som stjerner, galakser, planeter og livsformer som os kan eksistere. Men før mennesker og alle de komplekse molekyler, vi er lavet af kunne eksistere, måtte der være det første urvægtige molekyle, der startede en lang kæde af kemiske begivenheder, der førte til alt det, du ser omkring dig i dag.
Selvom det har været længe teoretiseret at eksistere, var manglen på observationsbevis for det molekyle problematisk for forskere. Nu har de fundet det, og disse forskere kan hvile let. Deres forudsigelige teori vinder!
I de meget tidlige dage af universet var der kun to eller tre typer atomer. Hydrogen, helium og små mængder lithium blev skabt af Big Bang Nucleosynthesis. Alle de andre elementer blev smedet senere i stjerner. Stjerner er for det meste brint, men stjerner kunne ikke dannes ud fra de enkle hydrogenatomer, der blev oprettet i Big Bang. De dannes ud fra det, der kaldes molekylært brint. Og molekylært brint kunne ikke dannes uden det såkaldte ”første molekyle”, en kombination af helium og brint kaldet heliumhydrid. Teorien siger, at heliumhydrid blev skabt omkring 100.000 år efter Big Bang.
”Det var så spændende at være der, at se heliumhydrid for første gang i dataene.”
Rolf Guesten, Max Planck Institut for Radioastronomi, hovedforfatter.
Du kan forestille dig et hurtigt skud fra det tidlige univers, et sted omkring 100.000 år efter Big Bang. Det var meget varmt og blev kun befolket af brint, helium og den lille smule lithium. Før universets atompopulation kunne diversificere sig, måtte stjerner dannes. Når det begyndte at køle ned, begyndte forholdene at blive modne for dannelse af stjerner.
Men noget andet måtte også ske. Afkøling af universet var ikke nok til, at stjerner kunne dannes. Molekylært brint skulle skabes, da stjerner hovedsageligt er fremstillet af molekylært brint snarere end det enkle atombrint, der blev skabt af Big Bang. (Forskere kalder det ikke simpelt brint, de kalder det bare et hydrogenatom.)
Det meste af brintet i universet er molekylært brint.
Men et enkelt hydrogenatom er sjældent i dagens univers, fordi det er en fri radikal og er virkelig reaktiv. Molekylært brint er et molekyle, hvor to hydrogenatomer er bundet sammen. Den består af to protoner og to elektroner og er meget stabil. Der er massive skyer af molekylært brint derude i rummet, og stjerner fra disse skyer.
Problemet i det tidlige univers var, selvom ting var ved at køle ned, molekylært brint ikke kunne dannes på egen hånd. Ifølge teorien var det nødvendigt med simpelt brint til at interagere med et specifikt molekyle, inden det kunne dannes, og det molekyle var heliumhydrid. Denne interaktion var det første trin i universets kemi.
”Manglen på bevis for selve eksistensen af heliumhydrid i det interstellare rum var et dilemma for astronomi i årtier.”
Rolf Guesten, Max Planck Institut for Radioastronomi, hovedforfatter
Selvom teorien sagde, at heliumhydrid skulle eksistere, og selvom det var blevet skabt i et laboratorium i 1925, var det aldrig set i rummet. Det er et meget pickle molekyle, fordi et af dets bestanddele atomer er helium, en ædel gas. Og ædelgasser er meget tilbageholdende med at reagere med andre atomer.
Men nu har de fundet det.
I et papir, der blev offentliggjort den 17. april i tidsskriftet Nature, skitserede forskere, hvordan de opdagede det undvigende heliumhydrid i
planetarisk tåge kaldet NGC 7027. De brugte NASAs SOFIA, eller
Stratosfærisk observatorium for infrarød astronomi, for at kigge efter det. SOFIA er en konverteret Boeing 747SP, der flyver i store højder over atmosfærisk interferens for at foretage observationer.
Lige siden 1970'erne troede forskere, at NGC 7027 havde de nødvendige betingelser for, at heliumhydrid kunne eksistere. Ved hjælp af SOFIA og det tyske STORE instrument (tysk modtager ved Terahertz-frekvenser) sonderede de NGC 7027 og søgte efter det undvigende molekyle.
Ledende forfatter af papiret er Rolf Guesten fra Max Planck-instituttet for radioastronomi i Bonn, Tyskland. ”Manglen på bevis for selve eksistensen af heliumhydrid i det interstellare rum var et dilemma for astronomi i årtier,” sagde Guesten.
Den planetariske tåge, hvor forskere opdagede det, har de rette betingelser for, at heliumhydrid kan dannes. Den aldrende stjerne udsætter den rigtige varme og ultraviolet stråling, så molekylet dannes. Men at kigge ind i den tåge viste sig at være meget vanskelig. Indtast SOFIA og STOR.
SOFIA ligner en hybrid mellem et jordbaseret teleskop og et rumteleskop. Fra sit udsigtspunkt på 45.000 fod er det fri for det meste af Jordens atmosfæriske interferens, ligesom et rumteleskop. Men det er mere fleksibelt. Den lander mellem missioner, og dens instrumentering kan ændres eller tilpasses mere som et jordbaseret teleskop kan.
I dette tilfælde blev det tyske STORE instrument integreret i SOFIA i 2011. Og det har vist sig at være afgørende i denne forskning.
”Vi er i stand til at ændre instrumenter og installere den nyeste teknologi,” sagde Naseem Rangwala, SOFIA's stedfortræder projektforsker. ”Denne fleksibilitet gør det muligt for os at forbedre observationer og svare på de mest presserende spørgsmål, som forskere ønsker besvaret.”
I 2016 begyndte forskere at bruge SOFIA og GREAT til at undersøge NGC 7027 til den undvigende heliumhydrid. Hvert molekyle interagerer med lys på sin egen frekvens, og GREAT var indstillet til heliumhydridens frekvens, svarende til at tune en radio til en bestemt station. Og de var endelig heldige.
”Det var så spændende at være der, at se heliumhydrid for første gang i dataene. Dette bringer en lang søgning til en lykkelig afslutning og eliminerer tvivl om vores forståelse af den underliggende kemi i det tidlige univers.
Rolf Guesten, Max Planck Institut for Radioastronomi, hovedforfatter
”Det var så spændende at være der, at se heliumhydrid for første gang i dataene,” sagde Guesten. "Dette bringer en lang søgning til en lykkelig afslutning og eliminerer tvivl om vores forståelse af den underliggende kemi i det tidlige univers."
Så dette er den lykkelige afslutning på et af astronomiens længst stillede spørgsmål. Den vellykkede konklusion til søgen efter heliumhydrid er en dejlig sejr for vores teorier, der beskriver universets udvikling.
Hvis du er venner med en videnskabsmand, så køb hende en øl til hende og vis en værdsættelse for deres hårde arbejde!
Kilder
- Forskningsartikel: Astrofysisk detektion af heliumhydridion HeH
- Pressemeddelelse: Universets første type molekyle findes sidst
- NASA: SOFIA Websted
- Wikipedia: Heliumhydridion
