Umetnikov vtis o vesoljskem observatoriju Herschel s svojimi opazkami nastajanja zvezd v meglici Rosette v ozadju.
(Slika: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, pisatelj in urednik za fundacijo Kavli, je prispeval ta članek k oddaji Space.com: Strokovni glasovi: Op-Ed & Insights.
Od redkih izletov kampiranja do oblikovanja mednarodnega soglasja o velikih proračunskih opazovalnicah, dobitnica nagrade Kavli za leto 2018 govori o svoji osebni in poklicni poti na področju astrokemije.
NI VSEH PROSTOROV JE TAKO VOZIČNO MESTO. Galaksije so polne prašnih oblakov, ki vsebujejo močne enolončnice molekul, od preprostega vodikovega plina do kompleksnih organskih snovi, ki so ključne za življenjski razvoj. Razumevanje, kako se vse te kozmične sestavine mešajo pri oblikovanju zvezd in planetov, je bilo življenje delo Ewine van Dishoeck.
Kemičar po izobrazbi van Dishoeck je kmalu usmeril pogled v kozmos. Veliko napredovala je na novem področju astrokemije, pri čemer je uporabila najnovejše teleskope, da bi razkrila in opisala vsebino ogromnih oblakov, ki vsebujejo zvezde. Vzporedno je van Dishoeck nadaljeval z laboratorijskimi poskusi in kvantnimi izračuni terra firma razumeti razpad kozmičnih molekul po zvezdni svetlobi, pa tudi pogoje, pod katerimi se nove molekule združijo kot Lego opeke. [8 Skrivnosti zmede astronomije]
"Za svoje skupne prispevke k opazovalni, teoretični in laboratorijski astrokemiji, ki pojasnjujejo življenjski cikel medzvezdnih oblakov in tvorbo zvezd in planetov, je van Dishoeck leta 2018 prejela Kavlijevo nagrado za astrofiziko. Je šele drugi nagrajenec na katerem koli področju, ki se je v svoji zgodovini odlikoval kot edini prejemnik nagrade.
Da bi izvedela več o njeni prelomni karieri v astrokemiji in o tem, kaj je na tem področju, se je fundacija Kavli pogovarjala z Van Dishoeckom iz njene pisarne v Observatoriju Leiden na Univerzi v Leidnu na Nizozemskem, tik pred tem, ko se je udeležila kadrovskega roštilja. Van Dishoeck je profesor molekularne astrofizike in izvoljeni predsednik Mednarodne astronomske zveze (IAU).
Sledi urejen prepis okrogle mize. Van Dishoeck je dobila priložnost, da spremeni ali popravi svoje pripombe.
FONDACIJA KAVLI: Kaj nam govori astrokemija o sebi in vesolju, v katerem živimo?
EWINE VAN DISHOECK: Celotna zgodba astrokemije je, kakšen je naš izvor? Od kod prihajamo, kako smo bili zgrajeni? Kako sta se oblikovala naš planet in sonce? To nas na koncu vodi k poskusu odkrivanja osnovnih gradnikov sonca, Zemlje in nas. Kot Legos - želimo vedeti, kateri kosi so bili v zgradbi Lego za naš osončje.
Najosnovnejši gradniki so seveda kemični elementi, toda kako se ti elementi kombinirajo, da ustvarijo večje gradnike - molekule - v vesolju je ključnega pomena za razumevanje, kako vse je nastalo.
TKF: Vi in drugi raziskovalci ste v vesolju opredelili več kot 200 teh molekularnih gradnikov. Kako se je področje razvijalo v času vaše kariere?
EVD: V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja smo začeli ugotavljati, da so zelo nenavadne molekule, kot so ioni in radikali, v prostoru razmeroma bogate. Te molekule manjkajo ali imajo neparne elektrone. Na Zemlji ne vztrajajo dolgo, saj hitro reagirajo na katero koli drugo zadevo, ki jo srečajo. Ker pa je prostor tako prazen, lahko ioni in radikali živijo več deset tisoč let, preden se spopadnejo s čim.
Zdaj gremo v smeri prepoznavanja molekul, ki so prisotne v samem središču regij, kjer se tvorijo nove zvezde in planeti, prav v tem trenutku. Prehajamo mimo opaženih izoliranih ionov in radikalov do bolj nasičenih molekul. Sem spadajo organske [molekule, ki vsebujejo ogljik] v najpreprostejših oblikah, kot metanol. Iz tega osnovnega gradbenega metanola lahko sestavite molekule, kot sta glikolaldehid, ki je sladkor, in etilen glikol. Obe sta "prebiotični" molekuli, kar pomeni, da sta potrebni za morebitno tvorbo molekul življenja.
Če se polje astrokemije premakne naprej, je oddaljeno od popisovanja molekul in do poskušanja razumevanja, kako se te različne molekule tvorijo. Prav tako poskušamo razumeti, zakaj bi lahko našli večje količine določenih molekul v določenih kozmičnih regijah v primerjavi z drugimi vrstami molekul.
TKF: To, kar ste pravkar povedali, me nameni analogiji: Astrokemija zdaj manj išče iskanje novih molekul v vesolju - podobno kot zoologi, ki iščejo nove živali v džungli. Področje je zdaj bolj povezano z "ekologijo" medsebojnega vpliva teh molekulskih živali in zakaj je v vesolju toliko takšnih vrst, toda tam jih je malo in podobno.
EVD: To je dobra analogija! Ko razumemo fiziko in kemijo, kako se zvezde in planeti sestavljajo, pomemben del ugotavljamo, zakaj so nekatere molekule v določenih medzvezdnih regijah v številnih regijah, vendar v drugih regijah "izumirajo", kot so morda živali.
Če nadaljujemo z vašo metaforo, je resnično veliko zanimivih interakcij med molekulami, ki jih lahko primerjamo z živalsko ekologijo. Na primer, temperatura je vodilni dejavnik v vedenju in medsebojnih vplivih molekul v vesolju, kar prav tako vpliva na aktivnost živali in tam, kjer živijo, in tako naprej.
TKF: Če se vrnemo k ideji gradnikov, kako točno deluje proces gradnje v astrokemiji?
EVD: Pomemben koncept pri gradnji molekul v vesolju je tisti, ki ga poznamo iz vsakdanjega življenja na Zemlji, imenovan fazni prehodi. Takrat se trdna snov stopi v tekočino ali tekočina izhlapi v plin in tako naprej.
Zdaj v vesolju ima vsaka molekula svojo "snežno črto", to je delitev med plinsko in trdno fazo. Tako ima na primer voda snežno črto, kjer gre iz vodnega plina v vodni led. Moram poudariti, da tekoče oblike elementov in molekul ne morejo obstajati v vesolju, ker je pritisk premajhen; voda je lahko na Zemlji tekoča zaradi pritiska iz atmosfere planeta.
Nazaj na snežne črte zdaj odkrivamo, da igrajo zelo pomembno vlogo pri nastajanju planetov in nadzorujejo veliko kemije. Eden najpomembnejših gradnikov Lego, tako rekoč, smo našli ogljikov monoksid. Na Zemlji poznamo ogljikov monoksid, ker na primer nastaja pri zgorevanju. Kolegi in jaz smo v laboratoriju v Leidenu dokazali, da je ogljikov monoksid izhodišče za izdelavo veliko bolj zapletenih organskih snovi v vesolju. Zamrzovanje ogljikovega monoksida iz plina v trdno fazo je ključnega pomena za dodajanje Lego gradnikov vodika. S tem lahko nastaviš večje in večje molekule, kot je formaldehid [CH2O], nato metanol, na glikolaldehid, kot smo razpravljali, ali pa greš celo na bolj zapletene molekule, kot je glicerol [C3H8O3].
To je samo en primer, vendar daje občutek, kako se v astrokemiji igra proces nastajanja.
TKF: Pravkar ste omenili svoj laboratorij v Leiden Observatory Sackler Laboratorij za astrofiziko, za kar razumem, da ima razliko med prvimi v laboratoriju astrofizike. Kako je prišlo do tega in kaj ste tam dosegli?
EVD: Tako je. Mayo Greenberg, pionirski astrokemik, je laboratorij začel v 70. letih prejšnjega stoletja in je bil res prvi tovrstni astrofizik na svetu. Upokojil se je in potem sem nadaljeval z laboratorijem. Sčasoma sem postal direktor tega laboratorija v začetku devetdesetih let in tako ostal do leta 2004, ko je kolega prevzel vodstvo. Tam še vedno sodelujem in izvajam eksperimente.
V laboratoriju smo uspeli doseči ekstremne razmere v prostoru: njegova hladnost in sevanje. Reproduciramo lahko temperature v prostoru do 10 kelvin [minus 442 stopinj Fahrenheita; minus 260 stopinj Celzija], kar je le majhen delček nad absolutno ničlo. Prav tako lahko ponovno ustvarimo intenzivno ultravijolično sevanje v zvezdni svetlobi, ki so mu podvržene molekule v regijah nastanka novih zvezd. [Zvezdni kviz: Preizkusite svoje zvezdne pametnike]
Kjer nam ne uspe, pa je v reprodukciji praznine prostora, vakuuma. Menimo, da ima ultra-visok vakuum v laboratoriju približno 108 do 1010 [sto milijonov do deset milijard] delcev na kubični centimeter. Kar astronomi imenujejo gost oblak, kjer se zgodijo tvorbe zvezd in planetov, jih ima le približno 104, ali približno 10.000 delcev na kubični centimeter. To pomeni, da je gost oblak v vesolju še vedno milijonkrat praznejši od najboljšega, kar lahko naredimo v laboratoriju!
Toda to na koncu deluje v našo korist. V skrajnem prostorskem vakuumu se kemija, ki jo zanima razumevanje, giblje zelo, zelo počasi. To preprosto ne bo uspelo v laboratoriju, kjer ne moremo čakati 10.000 ali 100.000 let, da se molekule spopadejo in se med seboj povežejo. Namesto tega moramo biti sposobni izvesti reakcijo v enem dnevu, da se naučimo karkoli na časovni lestvici človeške znanstvene kariere. Tako pospešimo vse in lahko to, kar vidimo v laboratoriju, prevedemo na veliko daljše časovne lestvice v vesolju.
TKF: Poleg laboratorijskega dela ste v svoji karieri uporabili tudi niz teleskopov za preučevanje molekul v vesolju. Kateri instrumenti so bili ključni za vaše raziskave in zakaj?
EVD: Novi instrumenti so bili ključni v celotni moji karieri. Astronomijo resnično poganjajo opažanja. Imeti vedno močnejše teleskope v novih valovnih dolžinah svetlobe je kot gledati vesolje z drugimi očmi.
Kot primer, v poznih osemdesetih letih sem se vrnil na Nizozemsko, ko je bila država močno vključena v opazovalnik infrardečega vesolja ali ISO, misijo, ki jo je vodila Evropska vesoljska agencija [ESA]. Počutil sem se veliko srečo, da je nekdo drug 20 let trdo delal, da je ta teleskop postal resničnost in sem ga z veseljem lahko uporabil! ISO je bil zelo pomemben, saj je odprl infrardeči spekter, kjer smo lahko videli vse te spektralne podpise, kot kemične prstne odtise, led, vključno z vodo, ki igrajo glavno vlogo pri nastajanju zvezd in planetov ter v vodnem primeru, seveda ključnega pomena za življenje. To je bil odličen čas.
Naslednja zelo pomembna misija je bil vesoljski observatorij Herschel, v katerega sem se osebno vključil kot podiplomski študent leta 1982. S kemije je bilo jasno, da je bil Herschel glavna misija za medzvezdne molekule, zlasti za »sledenje vodna sled. " Najprej pa smo morali preučiti znanstveni primer ESA. Nekaj let sem hodil v ZDA in se tam udeležil podobnih razprav, kjer sem pomagal, da sem znanstveni primer Herschel pri ameriških agencijah za financiranje pomagal. Vse to je bilo velik pritisk, dokler misija ni bila dokončno odobrena v poznih devetdesetih. Nato je še trajalo 10 let, da smo se zgradili in zagnali, vendar smo svoje prve podatke končno dobili konec leta 2009. Torej od leta 1982 do 2009 - to je bilo dolgoročno! [Fotografije: Neverjetne infrardeče slike Herschel Space Observatory]
TKF: Kdaj in kje so se vzpostavile vaše ljubezni do prostora in kemije?
EVD: Moja glavna ljubezen je bila vedno do molekul. To se je začelo v srednji šoli z zelo dobrim učiteljem kemije. Veliko je odvisno od resnično dobrih učiteljev in mislim, da se ljudje vedno ne zavedajo, kako pomembno je to. Šele ko sem prišel na fakulteto, sem ugotovil, da je fizika prav tako zabavna kot kemija.
TKF: Katero akademsko pot si ubrala, da si na koncu postala astrokemičarka?
EVD: Na univerzi Leiden sem opravil magisterij iz kemije in bil prepričan, da želim nadaljevati s teoretično kvantno kemijo. Toda profesor na tem področju v Leidnu je umrl. Zato sem začel iskati okoli druge možnosti. Takrat res nisem veliko vedel o astronomiji. Prav moj fant in sedanji mož Tim je pravkar slišal sklop predavanj o medzvezdnem mediju in Tim mi je rekel: "Veste, v vesolju so tudi molekule!" [Smeh]
Začel sem preučevati možnost dela naloge na molekulah v vesolju. Šla sem od enega profesorja do drugega. Kolega iz Amsterdama mi je rekel, da moram zares na področje astrokemije iti na Harvard, da bi delal s profesorjem Aleksandrom Dalgarno. Poleti 1979 sva s Timom potovala v Kanado, da bi se udeležila Generalne skupščine Mednarodne astronomske zveze v Montrealu. Ugotovili smo, da se pred generalno skupščino odvijajo satelitske sestanke, eno od njih pa se je dejansko dogajalo v tem posebnem parku, kjer sva s Timom kampirala. Ideja, ki smo jo imeli, je bila: "No, morda bi morali izkoristiti to priložnost in iti že k profesorju Dalgarnu!"
Seveda smo imeli vso to opremo in oblačila, a sem imel eno čisto krilo s seboj, ki sem si ga oblekel. Tim me je odpeljal na satelitski sestanek, našli smo mojega kolega iz Amsterdama in on je rekel: "O, dobro, predstavil te bom profesorju Dalgarnu." Profesor me je odpeljal zunaj, pet minut sva se pogovarjala, vprašal me je, kaj sem storil, kaj je moj nabor znanj astrokemije, nato pa je rekel: "Zveni zanimivo; zakaj ne pridete in delate zame?" To je bil očitno prelomni trenutek.
Tako se je vse začelo. Od takrat nisem obžaloval niti enega trenutka.
TKF: So bili v zgodnjem otroštvu še drugi prelomni trenutki, ki so vas postavili na pot znanstvenika?
EVD: Pravzaprav da. Imela sem približno 13 let in oče je pravkar uredil soboto v San Diegu v Kaliforniji. Odpustil sem se na srednji šoli na Nizozemskem, kjer smo večinoma dobili pouk latinščine in grščine ter seveda nekaj matematike. Toda še nismo imeli nič v smislu kemije ali fizike in biologija se je začela šele vsaj eno ali dve leti kasneje.
Na srednji šoli v San Diegu sem se odločil za študij tem, ki so bile zelo različne. Za primer sem vzel španščino. Obstajala je tudi možnost, da bi delali znanost. Imel sem zelo dobrega učitelja, ki je bil afroameriška ženska, kar je bilo takrat, leta 1968, precej nenavadno. Bila je samo zelo navdihujoča. Imela je eksperimente, imela je vprašanja in res me je uspela potegniti v znanost.
TKF: Zdaj se veselim obljube velikega milimetra / submilimeterskega sklopa Atacama (ALMA), ki se je odprl pred nekaj leti in spada med najbolj ambiciozne in drage kopenske astronomske projekte, ki so jih kdaj izvedli. Astrofizik Reinhard Genzel vam je zaslužen za pomoč pri doseganju mednarodnega soglasja za ta observatorij. Kako ste se prijavili za ALMA?
EVD: ALMA je doživela neverjeten uspeh kot premierni observatorij v tem posebnem obsegu milimetra in submilimetra, ki je pomembno okno za opazovanje molekul v vesolju. Danes ALMA sestavlja 66 radijskih teleskopov s 7- in 12-metrskimi konfiguracijami, ki se raztezajo na visoki ravnini v Čilu. Dolga pot je bila, da pridemo do tja, kjer smo zdaj!
ALMA je rezultat sanj več tisoč ljudi. Bil sem eden od dveh članov evropske strani ameriškega znanstvenega svetovalnega odbora za ALMA. Severnoameriško znanstveno skupnost sem dobro poznal iz svojih šestih let dela v ZDA. Obe strani, pa tudi Japonska, sta imeli zelo različne koncepte za ALMA. Evropejci so razmišljali o teleskopu, ki bi ga lahko uporabili za kemijo globokega, zelo zgodnjega vesolja, Severnoameričani pa so veliko več razmišljali o obsežnem slikanju z visoko ločljivostjo; ena skupina je govorila o gradnji osemmetrskih teleskopov, druga o 15-metrskih teleskopih. [Spoznajte ALMA: Neverjetne fotografije iz velikanskega radijskega teleskopa]
Torej sem bil eden izmed ljudi, ki je pomagal združiti ta dva argumenta. Rekel sem si: "Če zgradite veliko večji niz, pravzaprav vsi zmagamo." Načrt je bil združiti večje število teleskopov skupaj v en sklop, ne pa ločenih nizov, ki niso tako močni. In to se je zgodilo. Postavili smo ton sodelovanja pri tem fantastičnem projektu, ne pa da bi bili tekmeci.
TKF: Katere nove meje so odpiranje ALMA v astrokemiji?
EVD: Velik skok, ki ga izvajamo z ALMA, je v prostorski ločljivosti. Predstavljajte si, da gledate mesto od zgoraj. Prve slike programa Google Earth so bile zelo slabe - komaj ste videli kaj; mesto je bilo veliko blob. Od takrat so slike postajale ostrejše in ostrejše, saj se je izboljšala prostorska ločljivost s kamerami na satelitih. Dandanes lahko vidite kanale [v nizozemskih mestih], ulice, celo posamezne hiše. Resnično lahko vidite, kako je celotno mesto sestavljeno skupaj.
Enako se dogaja z rojstnimi kraji planetov, ki so ti drobni diski okoli mladih zvezd. Ti diski so stokrat do tisočkrat manjši od oblakov, ki smo si jih ogledali prej, kjer se rodijo zvezde. Z ALMA-jem povečujemo območja, kjer se oblikujejo nove zvezde in planeti. To so resnično ustrezne lestvice za razumevanje, kako delujejo ti procesi. In ALMA ima edinstveno spektroskopsko sposobnost zaznavanja in preučevanja zelo širokega spektra molekul, ki sodelujejo v teh procesih. ALMA je fantastičen korak naprej od vsega, kar smo že imeli.
TKF: Novi teleskopi, ki ste jih začeli uporabljati v celotni karieri, so se izkazali za izredne. Hkrati smo še vedno omejeni na to, kar lahko vidimo v kozmosu. Ko vnaprej razmišljate o prihodnjih generacijah teleskopov, kaj se najbolj nadejate?
EVD: Naslednji korak v naši raziskavi je vesoljski teleskop James Webb [JWST], ki se bo začel izvajati leta 2021. Z JWST se resnično veselim, da bom organske molekule in vodo videl na še manjših lestvicah in v različnih delih planeta - oblikovanje con, kot je to mogoče pri ALMA.
Toda ALMA bo bistvenega pomena za naše raziskave še dolgo - še 30 do 50 let. Še vedno moramo toliko odkriti z ALMA. Vendar nam ALMA ne more pomagati preučevati notranjega dela diska, ki tvori planet, na lestvici, kjer se je oblikovala naša Zemlja, le na kratki razdalji od sonca. Plin na disku je tam veliko toplejši, infrardeča svetloba, ki jo oddaja, pa lahko zajame instrument, ki sva ga s kolegi pomagala pri izvedbi JWST.
JWST je zadnja misija, ki sem jo delal. Spet sem se po naključju zapletel, vendar sem bil z ameriškimi partnerji in sodelavci v dobrem položaju, da pomagam. Številni z evropske in ameriške strani so se zbrali in rekli: "Hej, želimo, da se ta instrument zgodi in to lahko storimo v partnerstvu 50/50."
TKF: Ali se vam zdi, da vam je kos na gradnikih, ki sestavljajo zvezde in planete, kozmos prizadet ali celo ugoden za življenje?
EVD: Vedno pravim, da priskrbim gradnike, nato pa na biologiji in kemiji preostanek povem! [Smeh] Navsezadnje je pomembno, o kakšnem življenju govorimo. Ali govorimo le o najbolj primitivnem enoceličnem življenju, za katerega vemo, da je na Zemlji hitro nastal? Glede na vse sestavine, ki jih imamo na voljo, ni nobenega razloga, da se to ne bi pojavilo na nobeni od milijard eksoplanetov, za katere zdaj vemo, da krožijo okoli milijard drugih zvezd.
Ko gremo do naslednjih korakov večceličnega in na koncu inteligentnega življenja, še zelo malo razumemo, kako to izhaja iz preprostejšega življenja. Vendar menim, da je glede na stopnjo zahtevnosti varno reči, da je manj verjetno, da se bo to pojavilo tako pogosto kot recimo mikrobi. [10 eksoplanetov, ki bi lahko gostili življenje tujcev]
TKF: Kako nam bo področje astrokemije pomagalo odgovoriti na vprašanje, ali obstaja tuje življenje v vesolju?
EVD: Študij kemije eksoplanetnih atmosfer nam bo pomagal odgovoriti na to vprašanje. Našli bomo veliko potencialno zemeljskih eksoplanetov. Naslednji korak bo iskanje spektralnih prstnih odtisov, ki sem jih omenil prej, v atmosferi planetov. V teh prstnih odtisih bomo posebej iskali "biomolekule" ali kombinacije molekul, ki bi lahko kazale na prisotnost neke oblike življenja. To pomeni ne samo vodo, ampak kisik, ozon, metan in drugo.
Naši trenutni teleskopi komaj zaznajo te prstne odtise v atmosferi eksoplanetov. Zato gradimo naslednjo generacijo velikanskih zemeljskih teleskopov, kot je ekstremno velik teleskop, ki bo imel ogledalo, ki je približno trikrat večje kot karkoli danes. Vključujem se v oblikovanje znanstvenih primerov za to in druge nove instrumente, biosignarije pa so res eden izmed glavnih ciljev. To je vznemirljiva smer, kamor bo šla astrokemija.
