En kunstners indtryk af Herschel Space Observatory med dens observationer af stjernedannelse i Rosette Nebula i baggrunden.
(Billede: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, forfatter og redaktør for The Kavli Foundation, bidrog med denne artikel til Space.coms ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Fra serendipitøse campingture til smedning af international enighed om observatorier med stort budget diskuterer Kavli-prisvinderen 2018 hendes personlige og professionelle rejse ind i astrokemi.
IKKE ALT RUM ER SOM ET BARREN STED. Galakser er fyldte med støvede skyer indeholdende rige gryderedder af molekyler, der spænder fra enkel brintgas til komplekse organiske stoffer, der er kritiske for livets udvikling. At gribe fat i, hvordan alle disse kosmiske ingredienser blandes sammen i dannelsen af stjerner og planeter, har været livsværket for Ewine van Dishoeck.
Van Dishoeck, kemiker ved at træne, vendte snart øjnene mod kosmos. Hun var banebrydende for mange fremskridt inden for det nye felt inden for astrokemi og udnyttede de nyeste teleskoper for at afsløre og beskrive indholdet af store stjernebærende skyer. Parallelt gennemførte van Dishoeck laboratorieeksperimenter og kvanteberegninger på terra firma at forstå nedbrydningen af kosmiske molekyler efter stjernelys såvel som betingelserne under hvilke nye molekyler stables sammen som Lego-klodser. [8 Baffling Astronomy Mysteries]
"For hendes kombinerede bidrag til observations-, teoretisk og laboratorieastrokemi, der belyste livscyklussen for interstellare skyer og dannelsen af stjerner og planeter," van Dishoeck modtog Kavli-prisen 2018 i astrofysik. Hun er kun den anden vinder i ethvert felt, der er blevet udmærket som den eneste modtager af prisen gennem dens historie.
For at lære mere om hendes gennembrudskarriere inden for astrokemi og hvad der er næste for feltet, talte The Kavli Foundation med van Dishoeck fra sit kontor på Leiden Observatorium på University of Leiden i Holland, lige inden hun deltog på en personalebarbeque. Van Dishoeck er professor i molekylær astrofysik og præsident for den internationale astronomiske union (IAU).
Følgende er et redigeret udskrift af rundbordsdiskussionen. Van Dishoeck har fået lejlighed til at ændre eller redigere hendes bemærkninger.
KAVLIFUNDATIONEN: Hvad fortæller astrokemi om os selv og det univers, vi lever i?
EWINE VAN DISHOECK: Den samlede historie fortalt af astrokemi er, hvad er vores oprindelse? Hvor kommer vi fra, hvordan blev vi bygget? Hvordan blev vores planet og sol dannet? Det fører til sidst til os at forsøge at finde de grundlæggende byggesten til solen, jorden og os. Det er ligesom Legos - vi vil gerne vide, hvilke stykker der var i Lego-bygningssættet til vores solsystem.
De mest basale byggesten er naturligvis de kemiske elementer, men hvordan disse elementer kombineres for at skabe større byggesten - molekyler i rummet er afgørende for at forstå, hvordan alt andet kom til at være.
TKF: Du og andre forskere har nu identificeret mere end 200 af disse molekylære byggesten i rummet. Hvordan har feltet udviklet sig i løbet af din karriere?
EVD: I 1970'erne begyndte vi at finde ud af, at meget usædvanlige molekyler, såsom ioner og radikaler, er relativt rigelige i rummet. Disse molekyler mangler eller har uparrede elektroner. På Jorden vedvarer de ikke længe, fordi de hurtigt reagerer med enhver anden sag, de møder. Men fordi pladsen er så tom, kan ioner og radikaler leve i titusinder af år, før de støder på noget.
Nu bevæger vi os mod at identificere de molekyler, der findes i hjertet af de regioner, hvor nye stjerner og planeter dannes lige i dette øjeblik. Vi kommer forbi at se isolerede ioner og radikaler til mere mættede molekyler. Disse inkluderer organiske [kulstofholdige] molekyler i de enkleste former, såsom methanol. Fra den basale methanol-byggesten kan du opbygge molekyler som glycolaldehyd, som er et sukker, og ethylenglycol. Begge disse er "prebiotiske" molekyler, hvilket betyder, at de er nødvendige for en eventuel dannelse af livets molekyler.
Hvor astrokemifeltet bevæger sig næste er væk fra at tage en opgørelse over molekyler og hen imod at prøve at forstå, hvordan disse forskellige molekyler dannes. Vi forsøger også at forstå, hvorfor vi måske finder større mængder af visse molekyler i især kosmiske regioner kontra andre slags molekyler.
TKF: Det, du lige har sagt, får mig til at tænke på en analogi: Astrokemi handler nu mindre om at finde nye molekyler i rummet - slags lignende zoologer, der søger nye dyr i junglen. Feltet handler nu mere om "økologien" af, hvordan disse molekylære dyr interagerer, og hvorfor der er så mange af en bestemt art her i rummet, men så få derovre, og så videre.
EVD: Det er en god analogi! Når vi begynder at forstå fysikken og kemien for, hvordan stjerner og planeter dannes, er en betydelig del at finde ud af, hvorfor nogle molekyler er rigelige i bestemte interstellare regioner, men er "uddøde", ligesom dyr kan være, i andre regioner.
Hvis vi fortsætter din metafor, er der faktisk mange interessante interaktioner mellem molekyler, der kan sammenlignes med dyreøkologi. For eksempel er temperatur en styrende faktor i opførslen og interaktioner mellem molekyler i rummet, hvilket også påvirker dyrenes aktivitet, og hvor de bor, og så videre.
TKF: Vender vi tilbage til byggestenens idé, hvordan fungerer opbygningsprocessen i astrokemi nøjagtigt?
EVD: Et vigtigt koncept i bygning af molekyler i rummet er et, vi kender fra hverdagen her på Jorden, kaldet faseovergange. Det er når et fast stof smelter til en væske, eller en væske fordamper til gas, og så videre.
Nu i rummet har hvert molekyle sin egen "sne linje", som er opdelingen mellem en gasfase og en fast fase. Så for eksempel har vand en sne linje, hvor det går fra vandgas til vandis. Jeg skal påpege, at flydende former af elementer og molekyler ikke kan eksistere i rummet, fordi der er for lidt tryk; vand kan være flydende på Jorden på grund af trykket fra planetens atmosfære.
Tilbage til snelinierne opdager vi nu, at de spiller en meget vigtig rolle i planetdannelsen og styrer meget af kemi. En af de vigtigste Lego-byggesten, så at sige, at vi har fundet, er kulilte. Vi kender kulmonoxid på Jorden, fordi det f.eks. Er produceret i forbrænding. Mine kolleger og jeg har på laboratoriet i Leiden demonstreret, at kulilte er udgangspunktet for at gøre mange mere komplekse organiske stoffer ud i rummet. Kulmonoxid, der fryser ud fra en gas til en fast fase, er et vigtigt første skridt for derefter at tilføje Lego-byggesten af brint. Hvis du gør det, kan du fortsætte med at bygge større og større molekyler som formaldehyd [CH2O], derefter methanol, videre til glycolaldehyd, som vi diskuterede, eller du kan endda gå til mere komplekse molekyler som glycerol [C3H8O3].
Det er kun et eksempel, men det giver dig en fornemmelse af, hvordan en opbygningsproces spiller ud i astrokemi.
TKF: Du har lige nævnt dit laboratorium på Leiden-observatoriet, the Sackler Laboratory for Astrophysics, som jeg forstår har en sondring som det første nogensinde astrofysiske laboratorium. Hvordan kom det til at være, og hvad har du opnået der?
EVD: Det er rigtigt. Mayo Greenberg, en banebrydende astrokemiker, startede laboratoriet i 1970'erne, og det var virkelig den første af sin art for astrofysik i verden. Han trak sig tilbage og derefter holdt jeg laboratoriet igang. Jeg blev til sidst direktør for dette laboratorium i de tidlige 1990'ere og forblev så indtil omkring 2004, hvor en kollega overtog ledelse. Jeg samarbejder stadig og kører eksperimenter der.
Det, vi har lykkedes at opnå i laboratoriet, er de ekstreme pladsforhold: Dets kulde og dens stråling. Vi kan gengive temperaturerne i rummet ned til 10 kelvin [minus 442 grader Fahrenheit; minus 260 grader Celsius], som kun er en lille smule over absolut nul. Vi kan også genskabe den intense ultraviolette stråling i stjernelys, som molekyler er udsat for i områder med ny stjernedannelse. [Star Quiz: Test din stjernede smarts]
Hvor vi mislykkes, er imidlertid at gengive tomhed i rummet, vakuumet. Vi betragter et ultrahøjt vakuum i laboratoriet som i størrelsesordenen 108 til 1010 [hundrede millioner til ti milliarder] partikler pr. kubikcentimeter. Hvad astronomer kalder en tæt sky, hvor stjerne- og planetdannelse sker, har kun ca. 104eller ca. 10.000 partikler pr. kubikcentimeter. Det betyder, at en tæt sky i rummet stadig er en million gange tømmer end det bedste, vi kan gøre i laboratoriet!
Men dette fungerer i sidste ende til vores fordel. I rumets ekstreme vakuum bevæger den kemi, vi er interesseret i at forstå, meget, meget langsomt. Det gør det simpelthen ikke i laboratoriet, hvor vi ikke kan vente i 10.000 eller 100.000 år på, at molekylerne støder ind i hinanden og interagerer. I stedet er vi nødt til at være i stand til at reagere på en dag for at lære noget om tidsskalaerne i en humanvidenskabelig karriere. Så vi fremskynder alt og kan oversætte det, vi ser i laboratoriet, til de langt længere tidsskalaer i rummet.
TKF: Foruden laboratoriets arbejde har du i løbet af din karriere brugt en række teleskoper til at studere molekyler i rummet. Hvilke instrumenter var vigtige for din forskning, og hvorfor?
EVD: Nye instrumenter har været afgørende i hele min karriere. Astronomi er virkelig drevet af observationer. At have stadigt stærkere teleskoper i nye bølgelængder af lys er som at se på universet med forskellige øjne.
For at give dig et eksempel kom jeg i slutningen af 1980'erne tilbage til Holland, da landet var stærkt involveret i Infrarødt rumobservatorium, eller ISO, en mission ledet af Det Europæiske Rumagentur [ESA]. Jeg følte mig meget heldig at nogen anden havde gjort det hårde arbejde i 20 år for at gøre dette teleskop til en realitet, og jeg kunne heldigvis bruge det! ISO var meget vigtig, fordi det åbnede det infrarøde spektrum, hvor vi kunne se alle disse spektrale underskrifter, som kemiske fingeraftryk, af is inklusive vand, der spiller store roller i dannelse af stjerne og planet og i vandets tilfælde, er selvfølgelig kritisk for livet. Det var en god tid.
Den næste meget markante mission var Herschel Space Observatory, som jeg personligt engagerede mig som kandidatstuderende tilbage i 1982. Fra kemi-siden var det tydeligt, at Herschel var en vigtig mission for interstellare molekyler, og især at "følge vandsti. " Men først skulle vi gøre videnskabssagen til ESA. Jeg gik til USA i et antal år og kom i lignende diskussioner der, hvor jeg var med til at gøre videnskabssagen for Herschel til amerikanske finansieringsbureauer. Det hele var et stort skub, indtil missionen endelig blev godkendt i slutningen af 1990'erne. Derefter tog det stadig 10 år at bygge og lancere, men vi fik endelig vores første data i slutningen af 2009. Så fra 1982 til 2009 - det var i lang tid! [Fotos: Herschel Space Observatory's fantastiske infrarøde billeder]
TKF: Hvornår og hvor rodede dine kærligheder til rum og kemi?
EVD: Min største kærlighed var altid molekyler. Det startede i gymnasiet med en meget god kemi-lærer. Meget afhænger af rigtig gode lærere, og jeg tror ikke, folk altid er klar over, hvor vigtigt det er. Jeg indså først, da jeg kom på college, at fysik var lige så sjovt som kemi.
TKF: Hvilken akademisk vej tog du for i sidste ende at blive en astrokemiker?
EVD: På Leiden Universitet gjorde jeg min kandidatuddannelse i kemi og var overbevist om, at jeg ville fortsætte med teoretisk kvantekemi. Men professoren på det felt i Leiden var død. Så jeg begyndte at se mig om efter andre muligheder. Jeg vidste virkelig ikke meget om astronomi på det tidspunkt. Det var min daværende kæreste og nuværende mand, Tim, der netop havde hørt et sæt forelæsninger om det interstellære medium, og Tim sagde til mig, "Du ved, der er også molekyler i rummet!" [Latter]
Jeg begyndte at undersøge muligheden for at lave en afhandling om molekyler i rummet. Jeg gik fra den ene professor til den anden. En kollega i Amsterdam fortalte mig, at jeg virkelig skulle gå til Harvard for at arbejde med professor Alexander Dalgarno for virkelig at komme ind inden for astrokemi. Som det skete, rejste Tim og jeg i sommeren 1979 i Canada for at deltage i en generalforsamling for Den Internationale Astronomiske Union i Montreal. Vi fandt ud af, at der blev afholdt satellitmøder inden generalforsamlingen, og et af dem foregik faktisk i denne specifikke park, hvor Tim og jeg campede. Ideen, vi havde, var, "Nå, måske skulle vi benytte lejligheden og gå og se denne professor Dalgarno allerede!"
Selvfølgelig havde vi alt dette campingudstyr og tøj, men jeg havde en ren nederdel med mig, som jeg tog på. Tim kørte mig til satellitmødet, vi fandt min kollega fra Amsterdam, og han sagde, "Åh, god, jeg vil præsentere dig for professor Dalgarno." Professoren tog mig med ud, vi talte i fem minutter, han spurgte mig, hvad jeg havde gjort, hvad mit astrokemi-færdighedsudstyr var, og så sagde han: "Lyder interessant; hvorfor kommer du ikke og arbejder for mig?" Det var åbenlyst et vigtigt øjeblik.
Sådan kom det hele i gang. Jeg har aldrig fortrudt et øjeblik siden.
TKF: Var der andre vigtige øjeblikke, måske tidligt i din barndom, der satte dig på vej til at være videnskabsmand?
EVD: Faktisk, ja. Jeg var omkring 13 år gammel, og min far havde netop arrangeret en sabbatsdag i San Diego, Californien. Jeg tog afsked med min gymnasium i Holland, hvor vi for det meste havde modtaget undervisning i latin og græsk og selvfølgelig noget matematik. Men vi havde endnu intet med hensyn til kemi eller fysik, og biologien startede først før mindst et eller to år senere.
På ungdomsskolen i San Diego besluttede jeg at studere emner, der var meget forskellige. Jeg tog spansk for eksempel. Der var også muligheden for at gøre videnskab. Jeg havde en meget god lærer, som var en afroamerikansk kvinde, som på det tidspunkt i 1968 var ganske usædvanlig. Hun var bare meget inspirerende. Hun havde eksperimenter, hun havde spørgsmål, og hun formåede virkelig at trække mig ind i videnskaben.
TKF: Ser nu frem til løftet fra Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), der åbnede for flere år siden og er blandt de mest ambitiøse og dyre jordbaserede astronomiprojekter, der nogensinde er implementeret. Astrofysiker Reinhard Genzel krediterer dig med at hjælpe med at smede den internationale konsensus bag dette observatorium. Hvordan lavede du sagen for ALMA?
EVD: ALMA har været en fantastisk succes som premiereobservatoriet i dette specielle interval af millimeter- og submillimeterlys, der er et vigtigt vindue til at observere molekyler i rummet. I dag består ALMA af 66 radioteleskoper med 7- og 12 meter konfigurationer, der strækker sig over en højhøjde i Chile. Det var en meget lang vej at komme til, hvor vi er nu!
ALMA er resultatet af mange tusinder af drømme. Jeg var et af to medlemmer fra europæisk side i det amerikanske rådgivende udvalg for videnskab for ALMA. Jeg kendte det nordamerikanske videnskabssamfund godt fra mine seks år, der arbejdede i USA. De to sider, såvel som Japan, havde meget forskellige koncepter for ALMA. Europæerne tænkte på et teleskop, der kunne bruges til dyb kemi med meget tidligt univers, mens nordamerikanerne overvejede meget mere om billedbehandling i stor skala; den ene gruppe talte om at bygge otte meter teleskoper, den anden om 15 meter teleskoper. [Mød ALMA: Fantastiske fotos fra Giant Radio Telescope]
Så jeg var en af de mennesker, der hjalp med at bringe disse to argumenter sammen. Jeg sagde, "Hvis du bygger en meget større række, vinder vi faktisk alle sammen." Planen blev at bringe et større antal teleskoper sammen i en matrix, snarere end separate arrays, som ikke er så magtfulde. Og det er hvad der skete. Vi satte tonen i at arbejde sammen om dette fantastiske projekt snarere end at være konkurrenter.
TKF: Hvilke nye grænser åbner ALMA inden for astrokemi?
EVD: Det store spring, vi laver med ALMA, er i rumlig opløsning. Forestil dig at se på en by ovenfra. De første Google Earth-billeder var meget dårlige - man kunne næppe se noget; en by var en stor klat. Siden da er billederne blevet skarpere og skarpere, efterhånden som den rumlige opløsning er forbedret med kameraerne ombord på satellitter. I dag kan du se kanalerne [i hollandske byer], gaderne, endda individuelle huse. Du kan virkelig se, hvordan hele byen er sammensat.
Den samme ting sker nu med planeternes fødesteder, som er disse små skiver omkring unge stjerner. Disse diske er hundrede til tusind gange mindre end skyerne, vi tidligere har set på, hvor stjerner fødes. Med ALMA zoomer vi ind i de regioner, hvor nye stjerner og planeter dannes. Det er virkelig de relevante skalaer for at forstå, hvordan disse processer fungerer. Og ALMA har unikt de spektroskopiske evner til at detektere og studere en meget bred vifte af molekyler, der er involveret i disse processer. ALMA er et fantastisk skridt fremad fra alt, hvad vi har haft før.
TKF: De nye teleskoper, du har brugt i løbet af din karriere, har vist sig ekstraordinære. På samme tid er vi stadig begrænset til hvad vi kan se i kosmos. Når du tænker fremover på fremtidige generationer af teleskoper, hvad er det du håber mest at se?
EVD: Det næste trin i vores forskning er James Webb-rumteleskopet [JWST], der skulle lanceres i 2021. Med JWST ser jeg virkelig frem til at se organiske molekyler og vand i endnu mindre skalaer og i forskellige dele af planeten- formningszoner, end det er muligt med ALMA.
Men ALMA vil være afgørende for vores forskning i lang tid fremover - yderligere 30 til 50 år. Der er stadig så meget, vi har brug for at opdage med ALMA. ALMA kan imidlertid ikke hjælpe os med at studere den meget indre del af en planetdannende disk, i skalaen fra hvor vores jord dannede sig, bare en kort afstand fra solen. Der er meget varmere gas på disken, og det infrarøde lys, den udsender, kan indfanges af et instrument, som mine kolleger og jeg har hjulpet med at implementere til JWST.
JWST er den sidste mission, som jeg har arbejdet på. Igen var det tilfældigt, at jeg blev involveret, men jeg var i en god position med mine amerikanske partnere og kolleger til at hjælpe. En række af os fra europæisk og amerikansk side kom sammen og sagde: "Hej, vi vil få dette instrument til at ske, og vi kan gøre det i et 50/50 partnerskab."
TKF: I betragtning af dit arbejde med byggestenene, der udgør stjerner og planeter, forekommer kosmos levedygtig eller endda befordrende for livet?
EVD: Jeg siger altid, at jeg leverer byggestenene, og så er det op til biologi og kemi at fortælle resten af historien! [Latter] I sidste ende betyder det noget, hvilken slags liv vi taler om. Taler vi bare det mest primitive, encellede liv, som vi ved, opstod hurtigt på Jorden? I betragtning af alle de ingredienser, vi har til rådighed, er der ingen grund til, at det ikke kunne opstå på nogen af de milliarder af exoplaneter, som vi nu ved, kredser milliarder af andre stjerner.
Når vi går til de næste trin i multicellulært og i sidste ende intelligent liv, forstår vi meget lidt endnu, hvordan det fremgår af enklere liv. Men jeg tror, det er sikkert at sige i betragtning af kompleksitetsniveauet, er det mindre sandsynligt, at det vil opstå så ofte som, for eksempel, mikrober. [10 eksoplaneter, der kunne være vært for fremmed liv]
TKF: Hvordan vil feltet inden for astrokemi hjælpe os med at besvare spørgsmålet om, hvorvidt der er fremmede liv i universet?
EVD: At studere kemi fra eksoplanet-atmosfærer er det, der vil hjælpe os med at besvare dette spørgsmål. Vi finder mange potentielt jordlignende exoplaneter. Det næste skridt vil være at kigge efter spektrale fingeraftryk, som jeg nævnte tidligere, i planeternes atmosfærer. I disse fingeraftryk vil vi specifikt være på udkig efter "biomolekyler" eller kombinationer af molekyler, der kan indikere tilstedeværelsen af en eller anden form for liv. Det betyder ikke kun vand, men ilt, ozon, methan og mere.
Vores nuværende teleskoper kan næppe næppe registrere disse fingeraftryk i eksoplaneternes atmosfære. Derfor bygger vi den næste generation af gigantiske, jordbaserede teleskoper, ligesom det ekstremt store teleskop, der har et spejl, der er cirka tre gange så stort som alt andet i dag. Jeg er involveret i at gøre videnskabssagen for det og andre nye instrumenter, og biosignaturer er virkelig et af de øverste mål. Det er den spændende retning, hvor astrokemi vil gå.
