Umelecký dojem Herschelovho vesmírneho observatória s jeho pozorovaním formovania hviezd v hmlovine Rozeta v pozadí.
(Obrázok: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, spisovateľ a redaktor Nadácie Kavli, prispel týmto článkom k odborným hlasom agentúry Space.com: Op-Ed & Insights.
Laureátka Ceny Kavli v roku 2018 diskutuje o svojej osobnej a profesionálnej ceste do oblasti astrochémie, od významných výletov po kempingy až po vytvorenie medzinárodného konsenzu o veľkorozpočtových observatóriách.
NIE VŠETKY PRIESTORY NIE SÚ BARRENSKÉ MIESTO. Galaxie sú plné prašných oblakov, ktoré obsahujú bohaté dusené molekuly molekúl, od jednoduchého plynného vodíka až po zložité organické látky rozhodujúce pre životný vývoj. Pochopenie toho, ako sa všetky tieto kozmické zložky premiešavajú pri formovaní hviezd a planét, bolo životnou prácou Ewine van Dishoeck.
Van Dishoecková, lekáreň z povolania, čoskoro obrátila oči do vesmíru. Priekopníkom mnohých pokrokov v oblasti vznikajúcej astrológie, využila najnovšie teleskopy, aby odhalila a opísala obsah obrovských oblakov s hviezdami. Van Dishoeck paralelne vykonával laboratórne experimenty a kvantové výpočty terra firma porozumieť rozpadu kozmických molekúl hviezdnym svetlom, ako aj podmienkam, za ktorých sa nové molekuly hromadia, ako tehly Lego. [8 záhadných astronomických záhad]
„Za kombinované príspevky k observačnej, teoretickej a laboratórnej astrochémii, ktoré objasňujú životný cyklus medzihviezdnych oblakov a formovanie hviezd a planét,“ získala van Dishoeck v roku 2018 Cenu Kavli za astrofyziku. Je iba druhým laureátom v ktorejkoľvek oblasti, ktorá bola ocenená ako jediná prijímateľka ceny za svoju históriu.
Ak sa chcete dozvedieť viac o jej prielomovej kariére v astrológii a o tom, čo bude ďalej v tejto oblasti, nadácia Kavli hovorila s van Dishoeckovou zo svojej kancelárie na observatóriu Leiden na University of Leiden v Holandsku, tesne predtým, ako sa zúčastnila na grilovaní zamestnancov. Van Dishoeck je profesorom molekulárnej astrofyziky a zvoleným prezidentom Medzinárodnej astronomickej únie (IAU).
Nasleduje upravený prepis diskusie za okrúhlym stolom. Van Dishoeck dostala príležitosť zmeniť a doplniť alebo upraviť svoje poznámky.
NADÁCIA KAVLI: Čo nám hovorí astrológia o nás samých ao vesmíre, v ktorom žijeme?
EWINE VAN DISHOECK: Celkový príbeh rozprávaný astrológiou je, aký je náš pôvod? Odkiaľ sme prišli, ako sme boli postavení? Ako sa formovala naša planéta a slnko? To nás nakoniec vedie k pokusu objaviť základné stavebné kamene pre slnko, Zem a nás. Je to ako Legos - chceme vedieť, aké kusy boli v budove Lego pre našu slnečnú sústavu.
Najzákladnejšie stavebné bloky sú samozrejme chemické prvky, ale ako sa tieto prvky kombinujú, aby vytvorili väčšie stavebné bloky - molekuly - vo vesmíre, je rozhodujúce pre pochopenie toho, ako sa stalo všetko ostatné.
TKF: Vy a ďalší vedci ste v súčasnosti identifikovali viac ako 200 týchto molekulárnych stavebných blokov vo vesmíre. Ako sa pole vyvíjalo v priebehu vašej kariéry?
EVD: V sedemdesiatych rokoch sme začali zisťovať, že veľmi neobvyklé molekuly, ako sú ióny a radikály, sú vo vesmíre pomerne hojné. Tieto molekuly chýbajú alebo majú nepárové elektróny. Na Zemi netrvajú dlho, pretože rýchlo reagujú na akékoľvek iné veci, s ktorými sa stretnú. Ale pretože priestor je taký prázdny, môžu ióny a radikály žiť desaťtisíce rokov, než sa dostanú do čohokoľvek.
Teraz ideme k identifikácii molekúl prítomných v samom srdci regiónov, kde sa vytvárajú nové hviezdy a planéty, práve v tomto okamihu. Prechádzame cez špinavé izolované ióny a zvyšky na viac nasýtených molekúl. Patria sem organické molekuly [obsahujúce uhlík] v najjednoduchších formách, ako je metanol. Z tohto základného stavebného bloku metanolu môžete vytvoriť molekuly, ako je glykolaldehyd, ktorý je cukrom, a etylénglykol. Obidve tieto molekuly sú „prebiotické“, čo znamená, že sú potrebné na prípadnú tvorbu molekúl života.
Tam, kde sa astronomické pole posúva ďalej, nie je potrebné robiť inventúru molekúl a snažiť sa pochopiť, ako sa tieto rôzne molekuly tvoria. Snažíme sa tiež pochopiť, prečo by sme mohli nájsť väčšie množstvo určitých molekúl v konkrétnych kozmických oblastiach v porovnaní s inými druhmi molekúl.
TKF: To, čo ste práve povedali, ma núti myslieť na analógiu: Astrochémia je v súčasnosti menej o hľadaní nových molekúl vo vesmíre - niečo ako zoológovia hľadajúci nové zvieratá v džungli. Toto pole sa teraz týka skôr „ekológie“ toho, ako tieto molekulárne zvieratá interagujú, a prečo je tu toľko určitého druhu tu vo vesmíre, ale tak málo tam a tak ďalej.
EVD: To je dobrá analógia! Keď sa snažíme porozumieť fyzike a chémii toho, ako sa tvoria hviezdy a planéty, významnou súčasťou je zistenie, prečo sú niektoré molekuly v určitých medzihviezdnych oblastiach bohaté, ale v iných oblastiach sú „vyhynuté“ rovnako ako zvieratá.
Ak budeme pokračovať vo vašej metafore, existuje skutočne veľa zaujímavých interakcií medzi molekulami, ktoré možno prirovnať k ekológii zvierat. Napríklad teplota je kontrolným faktorom v správaní a interakciách molekúl v priestore, ktoré tiež ovplyvňujú aktivitu zvierat a tam, kde žijú, atď.
TKF: Keď sa vraciame k myšlienke stavebných blokov, ako presne funguje proces budovania v astrológii?
EVD: Dôležitý koncept pri vytváraní molekúl vo vesmíre je koncept, ktorý poznáme z každodenného života na Zemi, ktorý sa nazýva fázové prechody. To je, keď sa tuhá látka roztopí na kvapalinu alebo sa kvapalina odparí na plyn a tak ďalej.
Teraz vo vesmíre má každá molekula svoju vlastnú „snehovú líniu“, čo je rozdelenie medzi plynnou fázou a pevnou fázou. Napríklad voda má líniu snehu, kde vedie z vodného plynu na vodný ľad. Chcel by som zdôrazniť, že tekuté formy prvkov a molekúl nemôžu existovať vo vesmíre, pretože je tu príliš malý tlak; voda môže byť na Zemi tekutá kvôli tlaku z atmosféry planéty.
Vrátime sa k snehom, teraz zisťujeme, že zohrávajú veľmi dôležitú úlohu pri formovaní planéty a kontrolujú veľa chémie. Jedným z najdôležitejších stavebných prvkov Lego, ktoré sme zistili, je oxid uhoľnatý. O oxid uhoľnatý na Zemi poznáme napríklad to, že sa vyrába napríklad pri spaľovaní. Spolu s kolegami sme v laboratóriu v Leidene preukázali, že oxid uhoľnatý je východiskovým bodom pre výrobu oveľa komplexnejších organických látok vo vesmíre. Oxid uhoľnatý zamrzajúci z plynu do tuhej fázy je rozhodujúcim prvým krokom k pridaniu stavebných blokov vodíka Lega. Ak tak urobíte, umožní vám to vytvárať väčšie a väčšie molekuly, ako je formaldehyd [CH2O], potom metanol, na glykollaldehyd, ako sme diskutovali, alebo môžete ísť dokonca na zložitejšie molekuly, ako je glycerol [C3H8O3].
Toto je len jeden príklad, ale dáva vám zmysel toho, ako sa proces budovania v astrológii odohráva.
TKF: Práve si sa zmienil o svojom laboratóriu v observatóriu Leiden, na Sacklerovo laboratórium pre astrofyziku, ktorému rozumiem, sa považuje za prvé astrofyzikálne laboratórium. Ako sa to stalo a čo ste tam dosiahli?
EVD: To je správne. Mayo Greenberg, priekopnícky astrológ, založil laboratórium v 70-tych rokoch a bol skutočne prvým svojho druhu pre astrofyziku na svete. Odišiel do dôchodku a potom som nechal laboratórium v chode. Nakoniec som sa stal riaditeľom tohto laboratória začiatkom 90. rokov a zostal som tak až do roku 2004, keď sa ujal vedenia kolega. Stále tam spolupracujem a experimentujem.
V laboratóriu sa nám podarilo dosiahnuť extrémne podmienky vesmíru: jeho chlad a žiarenie. Môžeme reprodukovať teploty vo vesmíre až do 10 kelvinov [mínus 442 stupňov Fahrenheita; mínus 260 stupňov Celzia], čo je len nepatrne nad absolútnu nulu. Môžeme tiež obnoviť intenzívne ultrafialové žiarenie v hviezdnom svetle, ktorému sú molekuly vystavené v oblastiach tvorby nových hviezd. [Hviezdny kvíz: Otestujte si svoje hviezdne partie]
Tam, kde zlyháme, je však reprodukcia prázdnoty vesmíru, vákuum. Za veľmi vysoké vákuum považujeme v laboratóriu rádovo 108 do 1010 [sto až desať miliárd] častíc na kubický centimeter. To, čo astronómovia nazývajú hustým mrakom, v ktorom dochádza k formovaniu hviezd a planét, má iba asi 104alebo asi 10 000 častíc na kubický centimeter. To znamená, že hustý mrak vo vesmíre je stále miliónkrát prázdnejší ako to, čo môžeme v laboratóriu urobiť!
To však v konečnom dôsledku prospieva nášmu prospechu. V extrémnom vákuu vesmíru sa chémia, o ktorú sa zaujímame, pohybuje veľmi pomaly. To jednoducho neurobí v laboratóriu, kde nemôžeme čakať 10 000 alebo 100 000 rokov, kým sa molekuly narazia do seba a vzájomne sa ovplyvnia. Namiesto toho musíme byť schopní urobiť reakciu za jeden deň, aby sme sa naučili čokoľvek na časovej stupnici ľudskej vedeckej kariéry. Takže všetko zrýchlime a dokážeme preložiť to, čo vidíme v laboratóriu, do oveľa dlhších časových mierok vo vesmíre.
TKF: Okrem laboratórnej práce ste počas svojej kariéry používali na skúmanie molekúl vo vesmíre aj ďalekohľady. Ktoré nástroje boli nevyhnutné pre váš výskum a prečo?
EVD: Počas celej mojej kariéry boli kľúčové nové nástroje. Astronómia je skutočne poháňaná pozorovaniami. Mať stále silnejšie teleskopy v nových vlnových dĺžkach svetla je ako pozerať sa na vesmír rôznymi očami.
Aby som vám dal príklad, koncom osemdesiatych rokov som sa vrátil do Holandska, keď sa táto krajina intenzívne zapájala do infračerveného vesmírneho observatória alebo misie ISO, misie vedenej Európskou vesmírnou agentúrou [ESA]. Cítil som sa veľmi šťastný, že niekto iný 20 rokov tvrdo pracoval na tom, aby sa tento ďalekohľad stal skutočnosťou, a mohol by som ho šťastne použiť! ISO bola veľmi dôležitá, pretože otvorila infračervené spektrum, kde sme mohli vidieť všetky tieto spektrálne podpisy ľadov vrátane vody, ako sú chemické odtlačky prstov, ktoré zohrávajú hlavnú úlohu pri tvorbe hviezd a planét a vo vode, sú samozrejme životne dôležité. To bol skvelý čas.
Ďalšou veľmi významnou misiou bolo Herschelovo vesmírne observatórium, s ktorým som sa v roku 1982 osobne zapojil ako postgraduálny študent. Z chemického hľadiska bolo jasné, že Herschel bol hlavnou misiou pre medzihviezdne molekuly, a najmä „sledoval vodná cesta. “ Najprv sme však potrebovali predložiť vedecký prípad ESA. Išiel som do USA na niekoľko rokov a zúčastnil som sa tam podobných diskusií, kde som pomohol predložiť vedecký prípad pre Herschel americkým finančným agentúram. Až do konca 90. rokov minulého storočia bola misia definitívne schválená. Stavba a spustenie ešte trvala 10 rokov, ale prvé údaje sme dostali až koncom roka 2009. Takže od roku 1982 do roku 2009 - to bolo dlhodobo! [Fotografie: Úžasné infračervené snímky Herschel Space Observatory]
TKF: Kedy a kde zakorenili tvoje lásky k vesmíru a chémii?
EVD: Moja hlavná láska bola vždy pre molekuly. Začalo to na strednej škole s veľmi dobrým učiteľom chémie. Veľa záleží na skutočne dobrých učiteľoch a nemyslím si, že ľudia si vždy uvedomujú, aké dôležité to je. Až keď som sa dostal na vysokú školu, uvedomil som si, že fyzika je rovnako zábavná ako chémia.
TKF: Akou akademickou cestou ste sa nakoniec stali astrochemikom?
EVD: Na Leiden University som absolvoval magisterský titul z chémie a bol som presvedčený, že chcem pokračovať v teoretickej kvantovej chémii. Ale profesor v tejto oblasti v Leidene zomrel. Tak som začal hľadať ďalšie možnosti. V tom čase som o astronómii veľa nevedel. Bol to môj vtedajší priateľ a súčasný manžel Tim, ktorý práve počul sériu prednášok na medzihviezdnom médiu a Tim mi povedal: „Vieš, v vesmíre sú aj molekuly!“ [Smiech]
Začal som skúmať možnosť robiť tézu o molekulách vo vesmíre. Šiel som od jedného profesora k druhému. Jeden kolega v Amsterdame mi povedal, že aby som sa skutočne dostal do oblasti astrológie, musel som ísť na Harvard, aby som spolupracoval s profesorom Alexandrom Dalgarnom. Ako sa stalo, v lete 1979 sme spolu s Timom cestovali do Kanady, aby sa zúčastnili Valného zhromaždenia Medzinárodnej astronomickej únie v Montreale. Zistili sme, že satelitné stretnutia sa konali pred Valným zhromaždením a jedno z nich sa vlastne dialo v tomto špecifickom parku, v ktorom sme kempovali Tim a ja. Myšlienka, ktorú sme mali, bola: „Možno by sme mali využiť túto príležitosť a ísť už za profesorom Dalgarnom!“
Samozrejme, mali sme všetko vybavenie a oblečenie pre kemping, ale mal som so sebou jednu čistú sukňu, ktorú som si obliekol. Tim ma zaviedol na satelitné stretnutie, našli sme môjho kolegu z Amsterdamu a povedal: „Och, dobre, predstavím vás profesorovi Dalgarnovi.“ Profesor ma vzal von, rozprávali sme sa päť minút, pýtal sa ma, čo som urobil, aké sú moje astrochemické zručnosti a potom povedal: „Znie to zaujímavo; prečo pre mňa neprídete a nepracujete?“ To bol očividne kľúčový moment.
Takto to všetko začalo. Od tej chvíle som nikdy neľutoval.
TKF: Boli tu ďalšie kľúčové momenty, možno skoro v detstve, ktoré ťa postavili na cestu vedy?
EVD: Vlastne áno. Mal som asi 13 rokov a môj otec práve usporiadal sobotu v San Diegu v Kalifornii. Absolvoval som strednú školu v Holandsku, kde sme väčšinou chodili na hodiny latinčiny a gréčtiny a samozrejme aj na matematiku. Pokiaľ ide o chémiu alebo fyziku, ešte sme nemali nič a biológia sa začala až o jeden alebo dva roky neskôr.
Na strednej škole v San Diegu som sa rozhodol študovať témy, ktoré boli veľmi odlišné. Zobral som si napríklad španielčinu. Bola tiež možnosť robiť vedu. Mal som veľmi dobrú učiteľku, ktorá bola afroamerickou ženou, ktorá v tom čase, v roku 1968, bola dosť nezvyčajná. Bola len veľmi inšpirujúca. Mala experimenty, mala otázky a dokázala ma vtiahnuť do vedy.
TKF: Teraz sa tešíme na prísľub Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), ktorý bol otvorený pred niekoľkými rokmi a patrí medzi najambicióznejšie a najdrahšie pozemné astronomické projekty, aké kedy boli realizované. Astrofyzik Reinhard Genzel vám pripisuje pomoc pri vytváraní medzinárodného konsenzu za týmto observatóriom. Ako ste sa obracali na ALMA?
EVD: ALMA bola úžasným úspechom ako premiérové observatórium v tejto špeciálnej rade milimetrových a submilimetrových svetiel, ktoré sú dôležitým oknom na pozorovanie molekúl vo vesmíre. Dnes sa ALMA skladá zo 66 rádiových ďalekohľadov s konfiguráciou 7- a 12 metrov, ktoré sa tiahnu po vysokohorskej planine v Čile. Bola to veľmi dlhá cesta, aby sme sa dostali tam, kde sme teraz!
ALMA je výsledkom snov mnohých tisícov ľudí. Bol som jedným z dvoch členov európskej strany v americkom vedeckom poradnom výbore pre ALMA. Poznal som severoamerickú vedeckú komunitu od mojich šiestich rokov práce v USA. Obe strany, ako aj Japonsko, mali pre ALMA veľmi odlišné koncepcie. Európania mysleli na ďalekohľad, ktorý by sa dal použiť na hlbokú, veľmi skorú vesmírnu chémiu, zatiaľ čo Severoameričania oveľa viac rozmýšľali o veľkoplošnom zobrazovaní s vysokým rozlíšením; jedna skupina hovorila o výstavbe osem metrov ďalekohľadov, druhá asi 15 metrov ďalekohľady. [Zoznámte sa s ALMA: Úžasné fotografie z obrovského rádiového teleskopu]
Bol som teda jedným z ľudí, ktorí pomohli spojiť tieto dva argumenty. Povedal som: „Ak postavíte omnoho väčšie pole, všetci vyhráme.“ Plán sa rozhodol spojiť väčší počet ďalekohľadov do jedného poľa, a nie na oddelené polia, ktoré nie sú také silné. A to sa stalo. Namiesto konkurencie sme nastavili tón spolupráce na tomto fantastickom projekte.
TKF: Aké nové hranice otvára ALMA v astrochémii?
EVD: Veľký skok, ktorý robíme s ALMA, je v priestorovom rozlíšení. Predstavte si, že sa pozeráte na mesto zhora. Prvé obrázky aplikácie Google Earth boli veľmi zlé - takmer nič nebolo vidieť; mesto bolo veľké blob. Odvtedy sa obrázky stávali ostrejšími a ostrejšími, pretože sa zlepšilo priestorové rozlíšenie s kamerami na palube satelitov. V súčasnosti môžete vidieť kanály (v holandských mestách), ulice, dokonca aj jednotlivé domy. Môžete skutočne vidieť, ako sa celé mesto spája.
To isté sa deje teraz aj s rodiskami planét, ktoré sú to malé disky okolo mladých hviezd. Tieto disky sú stokrát až tisíckrát menšie ako mraky, ktoré sme predtým skúmali, kde sa rodia hviezdy. S ALMA priblížime regióny, v ktorých sa formujú nové hviezdy a planéty. To sú skutočne príslušné stupnice na pochopenie toho, ako tieto procesy fungujú. ALMA má jedinečnú spektroskopickú schopnosť detekovať a študovať veľmi široké spektrum molekúl zapojených do týchto procesov. ALMA je fantastický krok vpred od všetkého, čo sme predtým mali.
TKF: Nové teleskopy, ktoré ste mali používať po celú dobu svojej kariéry, sa ukázali ako výnimočné. Zároveň sme stále obmedzení na to, čo vidíme vo vesmíre. Čo si myslíte, čo sa deje, keď sa pozeráte na budúce generácie ďalekohľadov?
EVD: Ďalším krokom v našom výskume je vesmírny teleskop Jamesa Webba [JWST], ktorý sa má spustiť v roku 2021. S JWST sa skutočne teším na organické molekuly a vodu na menších mierkach av rôznych častiach planéty - formovacie zóny, ako je možné s ALMA.
Ale ALMA bude pre náš výskum nevyhnutná ešte dlho - ďalších 30 až 50 rokov. Stále je toľko, čo musíme objaviť s ALMA. ALMA nám však nemôže pomôcť študovať veľmi vnútornú časť disku tvoriaceho planétu, v mierke, v ktorej sa našla naša Zem, len kúsok od Slnka. Plyn na disku je tam oveľa teplejší a infračervené svetlo, ktoré vyžaruje, môže byť zachytené nástrojom, ktorý sme s kolegami pomohli implementovať pre JWST.
JWST je posledná misia, na ktorej som pracoval. Opäť to bolo náhodou, že som sa zapojil, ale bol som v dobrej pozícii so svojimi americkými partnermi a kolegami pomôcť. Niekoľko z nás z európskych a amerických strán sa zišlo a povedalo: „Hej, chceme, aby sa tento nástroj stal skutočnosťou a môžeme to urobiť v partnerstve 50/50.“
TKF: Zdá sa, že vzhľadom na vašu prácu na stavebných blokoch, ktoré tvoria hviezdy a planéty, je vesmír prístupný alebo dokonca prispieva k životu?
EVD: Vždy hovorím, že poskytujem stavebné kamene, a potom je na biológii a chémii, aby rozprávali zvyšok príbehu! [Smiech] Nakoniec záleží na tom, o akom živote hovoríme. Hovoríme len o najprimitívnejšom jednobunkovom živote, ktorý poznáme, rýchlo na Zemi vznikol? Vzhľadom na všetky zložky, ktoré máme k dispozícii, neexistuje žiadny dôvod, prečo by to nemohlo vzniknúť na žiadnej z miliárd exoplanet, o ktorých vieme, že obiehajú miliardy iných hviezd.
Pokiaľ ide o ďalšie kroky mnohobunkového a nakoniec inteligentného života, ešte stále veľmi málo chápeme, ako to vyplýva z jednoduchšieho života. Ale myslím si, že je bezpečné povedať, že vzhľadom na úroveň zložitosti je menej pravdepodobné, že k tomu dôjde tak často, ako napríklad mikróby. [10 exoplanet, ktoré by mohli byť hostiteľom mimozemského života]
TKF: Ako nám pomôže oblasť astrochémie odpovedať na otázku, či existuje mimozemský život vo vesmíre?
EVD: Štúdium chémie exoplanetových atmosfér nám pomôže odpovedať na túto otázku. Nájdeme veľa potenciálne exoplanet podobných Zemi. Ďalším krokom bude hľadanie spektrálnych odtlačkov prstov, ktoré som už spomenul, v atmosfére planét. Na týchto odtlačkoch prstov budeme konkrétne hľadať „biomolekuly“ alebo kombinácie molekúl, ktoré by mohli naznačovať prítomnosť nejakej formy života. To znamená nielen vodu, ale aj kyslík, ozón, metán a ďalšie.
Naše súčasné ďalekohľady len ťažko dokážu odhaliť tieto odtlačky prstov v atmosfére exoplanet. Preto budujeme ďalšiu generáciu obrovských pozemných ďalekohľadov, napríklad Extrémne veľký ďalekohľad, ktorý bude mať zrkadlo, ktoré je asi trikrát väčšie ako v súčasnosti. Zapojil som sa do vedeckého prípadu a ďalších nových nástrojov a biologické podpisy sú skutočne jedným z hlavných cieľov. To je vzrušujúci smer, ktorým bude astrológia ísť.
