Et kunstners inntrykk av Herschel Space Observatory med sine observasjoner av stjernedannelse i Rosette Nebula i bakgrunnen.
(Bilde: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, skribent og redaktør for The Kavli Foundation, bidro med denne artikkelen til Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Fra serendipitøse campingturer til smiing av internasjonal enighet om observatorier med stort budsjett, diskuterer Kavli-prisvinneren 2018 hennes personlige og profesjonelle reise inn i astrokjemi.
IKKE HELT RUM ER SOM ET BARREN STED. Galakser er fulle av støvete skyer som inneholder rike gryteretter av molekyler, alt fra enkel hydrogengass til komplekse organiske stoffer som er kritiske for livets utvikling. Å gripe tak i hvordan alle disse kosmiske ingrediensene blandes sammen i dannelsen av stjerner og planeter har vært livsverket til Ewine van Dishoeck.
Van Dishoeck, kjemiker ved å trene, vendte snart blikket mot kosmos. Hun var pioner for mange fremskritt innen det fremvoksende feltet astrokjemi, og utnyttet de nyeste teleskopene for å avsløre og beskrive innholdet i enorme stjernebærende skyer. Parallelt gjennomførte van Dishoeck laboratorieeksperimenter og kvanteberegninger på terra firma å forstå nedbrytningen av kosmiske molekyler ved stjernelys, så vel som forholdene under hvilke nye molekyler stabler sammen som Lego-murstein. [8 Forbløffende astronomimysterier]
"For hennes kombinerte bidrag til observasjons-, teoretisk og laboratoriestrokjemi, og belyste livssyklusen til interstellare skyer og dannelsen av stjerner og planeter," van Dishoeck mottok Kavli-prisen 2018 i astrofysikk. Hun er bare den andre vinneren i noe felt som har blitt utmerket som en eneste mottaker av prisen over dens historie.
For å lære mer om sin banebrytende karriere innen astrokjemi og hva som er neste felt, snakket The Kavli Foundation med van Dishoeck fra kontoret hennes på Leiden Observatory ved University of Leiden i Nederland, rett før hun deltok på en grill. Van Dishoeck er professor i molekylær astrofysikk og president-valgt for International Astronomical Union (IAU).
Følgende er en redigert transkripsjon av diskusjonen om rundbordet. Van Dishoeck har fått muligheten til å endre eller redigere sine merknader.
KAVLI-GRUNNEN: Hva forteller astrokjemi om oss selv og universet vi lever i?
EWINE VAN DISHOECK: Den generelle historien som er fortalt av astrokjemi er, hva er vårt opphav? Hvor kommer vi fra, hvordan ble vi bygd? Hvordan skjedde planeten vår og solen? Det fører til slutt at vi prøver å oppdage de grunnleggende byggesteinene for solen, jorden og oss. Det er som Legos - vi vil vite hvilke stykker som var i Lego-bygningssettet for solsystemet vårt.
De mest grunnleggende byggesteinene er selvfølgelig de kjemiske elementene, men hvordan disse elementene kombineres for å skape større byggesteiner - molekyler - i verdensrommet er avgjørende for å forstå hvordan alt annet ble til.
TKF: Du og andre forskere har nå identifisert mer enn 200 av disse molekylære byggesteinene i verdensrommet. Hvordan har feltet utviklet seg i løpet av karrieren din?
EVD: På 1970-tallet begynte vi å finne at veldig uvanlige molekyler, for eksempel ioner og radikaler, er relativt mange i rommet. Disse molekylene mangler eller har uparede elektroner. På jorden vedvarer de ikke lenge fordi de reagerer raskt med andre saker de møter. Men fordi plassen er så tom, kan ioner og radikaler leve i titusenvis av år før de støter på noe.
Nå beveger vi oss mot å identifisere molekylene som er til stede i hjertet av regionene der nye stjerner og planeter dannes, akkurat i dette øyeblikket. Vi kommer forbi å se isolerte ioner og radikaler til mer mettede molekyler. Disse inkluderer organiske [karbonholdige] molekyler i de enkleste former, som metanol. Fra den grunnleggende metanolbyggesteinen kan du bygge opp molekyler som glykolaldehyd, som er et sukker, og etylenglykol. Begge disse er "prebiotiske" molekyler, noe som betyr at de er nødvendige for eventuell dannelse av molekyler i livet.
Hvor astrokjemifeltet beveger seg neste gang er borte fra å ta en oversikt over molekyler og mot å prøve å forstå hvordan disse forskjellige molekylene dannes. Vi prøver også å forstå hvorfor vi kan finne større mengder av visse molekyler i bestemte kosmiske regioner kontra andre slags molekyler.
TKF: Det du nettopp sa, får meg til å tenke på en analogi: Astrokjemi handler nå mindre om å finne nye molekyler i verdensrommet - på samme måte som zoologer som oppsøker nye dyr i jungelen. Feltet handler nå mer om "økologien" om hvordan de molekylære dyrene samhandler, og hvorfor det er så mange av en viss art her i verdensrommet, men så få der borte, og så videre.
EVD: Det er en god analogi! Når vi begynner å forstå fysikken og kjemien til hvordan stjerner og planeter dannes, er en betydelig del å finne ut hvorfor noen molekyler er rikelig i visse interstellare regioner, men er "utdødde", akkurat som dyr kan være, i andre regioner.
Hvis vi fortsetter metaforen din, er det faktisk mange interessante interaksjoner mellom molekyler som kan sammenlignes med dyreøkologi. For eksempel er temperatur en kontrollerende faktor i atferden og interaksjonen mellom molekyler i rommet, noe som også påvirker dyrenes aktivitet og hvor de bor, og så videre.
TKF: Når jeg kommer tilbake til byggesteinens ide, hvordan fungerer oppbyggingsprosessen i astrokjemi, nøyaktig?
EVD: Et viktig konsept for å bygge molekyler i rommet er et vi kjenner fra hverdagen her på jorden, kalt faseoverganger. Det er når et faststoff smelter til en væske, eller en væske fordamper til gass, og så videre.
Nå i verdensrommet har hvert molekyl sin egen "snølinje", som er inndelingen mellom en gassfase og en fast fase. Så for eksempel har vann en snølinje, der det går fra vanngass til vannis. Jeg må påpeke at flytende former for elementer og molekyler ikke kan eksistere i rommet fordi det er for lite trykk; vann kan være flytende på jorden på grunn av trykket fra planetens atmosfære.
Tilbake til snølinjene oppdager vi nå at de spiller en veldig viktig rolle i planetdannelse, og kontrollerer mye av kjemien. En av de viktigste Lego-byggesteinene, så å si, som vi har funnet er karbonmonoksid. Vi er kjent med karbonmonoksid på jorden fordi det for eksempel produseres i forbrenning. Mine kolleger og jeg har vist på laboratoriet i Leiden at karbonmonoksid er utgangspunktet for å lage mange mer komplekse organiske stoffer ute i verdensrommet. Karbonmonoksid som fryser ut fra en gass til en fast fase er et avgjørende første skritt for å deretter legge Lego byggesteiner med hydrogen. Hvis du gjør det, kan du fortsette å bygge større og større molekyler som formaldehyd [CH2O], deretter metanol, videre til glykolaldehyd som vi diskuterte, eller du kan til og med gå til mer komplekse molekyler som glyserol [C3H8O3].
Det er bare ett eksempel, men det gir deg en følelse av hvordan en oppbyggingsprosess spiller ut i astrokjemi.
TKF: Du har nettopp nevnt laboratoriet ditt ved Leiden-observatoriet, the Sackler Laboratory for Astrophysics, som jeg forstår har en utmerkelse som det første astrofysiske laboratoriet. Hvordan ble det og hva har du oppnådd der?
EVD: Det er riktig. Mayo Greenberg, en banebrytende astrokjemiker, startet laboratoriet på 1970-tallet, og det var virkelig det første i sitt slag for astrofysikk i verden. Han trakk seg og så fortsatte jeg laboratoriet. Etter hvert ble jeg direktør for dette laboratoriet på begynnelsen av 1990-tallet og ble det til rundt 2004, da en kollega overtok ledelse. Jeg samarbeider fortsatt og kjører eksperimenter der.
Det vi har lyktes med å oppnå i laboratoriet, er de ekstreme forholdene i rommet: Dets kulde og stråling. Vi kan reprodusere temperaturene i rommet ned til 10 kelvin [minus 442 grader Fahrenheit; minus 260 grader Celsius], som bare er en liten bit over absolutt null. Vi kan også gjenskape den intense ultrafiolette strålingen i stjernelys som molekyler er utsatt for i regioner med ny stjernedannelse. [Star Quiz: Test Your Stellar Smarts]
Der vi mislykkes, er imidlertid å reprodusere tomhet i rommet, vakuumet. Vi anser et ultrahøyt vakuum i laboratoriet for å være i størrelsesorden 108 til 1010 [hundre millioner til ti milliarder] partikler per kubikkcentimeter. Det astronomer kaller en tett sky, der stjerne- og planetdannelse skjer, har bare rundt 104, eller omtrent 10.000 partikler per kubikkcentimeter. Det betyr at en tett sky i verdensrommet fremdeles er en million ganger tømmer enn det beste vi kan gjøre på laboratoriet!
Men dette fungerer til slutt til vår fordel. I det ekstreme romvakuumet beveger kjemien vi er interessert i å forstå veldig, veldig sakte. Det vil ganske enkelt ikke gjøre i laboratoriet, der vi ikke kan vente i 10.000 eller 100.000 år på at molekylene skal støte på hverandre og samhandle. I stedet må vi være i stand til å gjøre reaksjonen på en dag for å lære hva som helst på tidsskalaene i en humanvitenskapelig karriere. Så vi får fart på alt og kan oversette det vi ser i laboratoriet til de langt lengre tidsskalaene i rommet.
TKF: I tillegg til laboratoriet har du i løpet av din karriere brukt en rekke teleskoper for å studere molekyler i verdensrommet. Hvilke instrumenter var viktige for forskningen din, og hvorfor?
EVD: Nye instrumenter har vært avgjørende i hele min karriere. Astronomi er virkelig drevet av observasjoner. Å ha stadig kraftigere teleskoper i nye bølgelengder av lys er som å se på universet med forskjellige øyne.
For å gi deg et eksempel, kom jeg på slutten av 1980-tallet tilbake til Nederland da landet var sterkt involvert i Infrared Space Observatory, eller ISO, et oppdrag ledet av European Space Agency [ESA]. Jeg følte meg veldig heldig som at noen andre hadde gjort det harde arbeidet i 20 år for å gjøre det teleskopet til en realitet, og jeg kunne med glede bruke det! ISO var veldig viktig fordi det åpnet det infrarøde spekteret der vi kunne se alle disse spektrale signaturene, som kjemiske fingeravtrykk, av is, inkludert vann, som spiller store roller i dannelse av stjerner og planter og i vanns tilfelle, er selvfølgelig kritisk for livet. Det var en flott tid.
Det neste veldig betydningsfulle oppdraget var Herschel Space Observatory, som jeg personlig engasjerte meg som hovedfagsstudent tilbake i 1982. Fra kjemisiden var det tydelig at Herschel var et hovedoppdrag for interstellare molekyler, og særlig å "følge vannløype. " Men først trengte vi å lage vitenskapssaken til ESA. Jeg dro til USA i en årrekke og fikk lignende diskusjoner der, der jeg var med på å lage vitenskapssaken for Herschel til amerikanske finansieringsbyråer. Det hele var et stort dytt inntil oppdraget endelig ble godkjent på slutten av 1990-tallet. Da tok det fortsatt 10 år å bygge og lansere, men vi fikk endelig våre første data i slutten av 2009. Så fra 1982 til 2009 - det var et langt løp! [Bilder: Herschel Space Observatory's Amazing Infrared Images]
TKF: Når og hvor slo kjærlighetene dine til rom og kjemi rot?
EVD: Min viktigste kjærlighet var alltid for molekyler. Det startet på videregående med en veldig god kjemilærer. Mye avhenger av virkelig gode lærere, og jeg tror ikke folk alltid innser hvor viktig det er. Jeg skjønte først da jeg kom på college at fysikk var like gøy som kjemi.
TKF: Hvilken akademisk vei tok du for til slutt å bli astrokjemiker?
EVD: Ved Leiden universitet gjorde jeg mastergraden i kjemi og var overbevist om at jeg ønsket å fortsette med teoretisk kvantekjemi. Men professoren på det feltet ved Leiden hadde dødd. Så jeg begynte å se meg om etter andre alternativer. Jeg visste virkelig ikke så mye om astronomi på den tiden. Det var min daværende kjæreste og nåværende ektemann, Tim, som nettopp hadde hørt et sett med foredrag om det interstellare mediet, og Tim sa til meg: "Du vet, det er også molekyler i verdensrommet!" [Latter]
Jeg begynte å se på muligheten for å gjøre en avhandling om molekyler i verdensrommet. Jeg gikk fra den ene professor til den andre. En kollega i Amsterdam fortalte at for virkelig å komme inn på astrokjemi, måtte jeg dra til Harvard for å jobbe med professor Alexander Dalgarno. Som det skjedde, reiste Tim og jeg sommeren 1979 i Canada for å delta på en generalforsamling for International Astronomical Union i Montreal. Vi fant ut at det ble holdt satellittmøter før generalforsamlingen, og et av dem foregikk faktisk i denne spesifikke parken der jeg og Tim campet. Ideen vi hadde var, "Vel, kanskje vi burde benytte anledningen og gå og se denne professor Dalgarno allerede!"
Vi hadde selvfølgelig alt dette campingutstyret og klærne, men jeg hadde ett rent skjørt med meg som jeg tok på. Tim kjørte meg til satellittmøtet, vi fant min kollega fra Amsterdam, og han sa: "Åh, bra, jeg vil introdusere deg for professor Dalgarno." Professoren tok meg med utenfor, vi snakket i fem minutter, han spurte meg hva jeg hadde gjort, hva min astrokjemisk ferdighetssett var, og så sa han: "Høres interessant ut; hvorfor kommer du ikke og jobber for meg?" Det var tydeligvis et sentralt øyeblikk.
Slik startet det hele. Jeg har aldri angret et øyeblikk siden.
TKF: Var det andre viktige øyeblikk, kanskje tidlig i barndommen som satte deg på veien til å være vitenskapsmann?
EVD: Faktisk ja. Jeg var rundt 13 år gammel, og min far hadde akkurat arrangert en sabbatsdag i San Diego, California. Jeg tok permisjon fra ungdomsskolen min i Nederland, der vi stort sett hadde fått undervisning i latin og gresk og selvfølgelig litt matematikk. Men vi hadde ingenting ennå med tanke på kjemi eller fysikk, og biologi startet ikke før minst ett eller to år senere.
På ungdomsskolen i San Diego bestemte jeg meg for å studere emner som var veldig forskjellige. Jeg tok spansk, for eksempel. Det var også muligheten til å gjøre vitenskap. Jeg hadde en veldig god lærer, som var en afroamerikansk kvinne, som på den tiden, i 1968, var ganske uvanlig. Hun var bare veldig inspirerende. Hun hadde eksperimenter, hun hadde spørsmål, og hun klarte virkelig å trekke meg inn i vitenskapen.
TKF: Ser nå frem til løftet fra Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), som åpnet for flere år siden og er blant de mest ambisiøse og dyre bakkebaserte astronomiprosjektene som noen gang er implementert. Astrofysiker Reinhard Genzel krediterer deg med å hjelpe til med å smi den internasjonale konsensus bak dette observatoriet. Hvordan gjorde du saken for ALMA?
EVD: ALMA har vært en fantastisk suksess som premiereobservatoriet i dette spesielle området millimeter- og submillimeterlys som er et viktig vindu for å observere molekyler i verdensrommet. I dag består ALMA av 66 radioteleskoper med konfigurasjoner på 7- og 12 meter som strekker seg over en høyhøydeflate i Chile. Det var en veldig lang vei å komme dit vi er nå!
ALMA er resultatet av mange tusen menneskers drømmer. Jeg var ett av to medlemmer fra europeisk side i den amerikanske rådgivende komiteen for ALMA. Jeg kjente det nordamerikanske vitenskapssamfunnet godt fra mine seks år som jobbet i USA. De to sidene, så vel som Japan, hadde veldig forskjellige konsepter for ALMA. Europeerne tenkte på et teleskop som kunne brukes til dyp, veldig tidlig universkjemi, mens nordamerikanerne tenkte mye mer på storskala, høyoppløselig bildebehandling; den ene gruppen snakket om å bygge åtte meter teleskoper, den andre om 15 meter teleskoper. [Møt ALMA: Fantastiske bilder fra Giant Radio Telescope]
Så jeg var en av menneskene som bidro til å bringe disse to argumentene sammen. Jeg sa: "Hvis du bygger et mye større utvalg, vinner vi faktisk alle sammen." Planen ble å bringe et større antall teleskoper sammen i en matrise, i stedet for separate matriser, som ikke er like kraftige. Og det var det som skjedde. Vi satte tonen for å jobbe sammen om dette fantastiske prosjektet i stedet for å være konkurrenter.
TKF: Hvilke nye grenser åpner ALMA i astrokjemi?
EVD: Det store hoppet som vi gjør med ALMA er i romlig oppløsning. Se for deg å se på en by ovenfra. De første Google Earth-bildene var veldig dårlige - du kunne knapt se noe; en by var en stor klatring. Siden den gang har bildene blitt skarpere og skarpere etter hvert som den romlige oppløsningen har blitt bedre med kameraene ombord på satellitter. I dag kan du se kanalene [i nederlandske byer], gatene, til og med enkelthus. Du kan virkelig se hvordan hele byen er satt sammen.
Det samme skjer nå med fødestedene til planeter, som er disse bittesmå skivene rundt unge stjerner. Disse platene er hundre til tusen ganger mindre enn skyene vi har sett på tidligere der stjerner er født. Med ALMA zoomer vi inn i regionene der nye stjerner og planeter dannes. Dette er virkelig de relevante skalaene for å forstå hvordan disse prosessene fungerer. Og ALMA har unikt de spektroskopiske evnene til å oppdage og studere et veldig bredt spekter av molekyler involvert i disse prosessene. ALMA er et fantastisk skritt fremover fra alt vi har hatt før.
TKF: De nye teleskopene du har fått bruke i løpet av karrieren har vist seg ekstraordinære. Samtidig er vi fremdeles begrenset til hva vi kan se i kosmos. Når du tenker fremover til kommende generasjoner med teleskoper, hva er det du håper mest å se?
EVD: Neste trinn i forskningen vår er James Webb Space Telescope [JWST], som ble satt i gang i 2021. Med JWST gleder jeg meg veldig til å se organiske molekyler og vann i enda mindre skalaer, og i forskjellige deler av planeten- formingssoner, enn det som er mulig med ALMA.
Men ALMA vil være viktig for vår forskning i lang tid fremover - ytterligere 30 til 50 år. Det er fremdeles så mye vi trenger å oppdage med ALMA. Imidlertid kan ALMA ikke hjelpe oss med å studere den helt indre delen av en planetdannende disk, i skalaen der jorden vår dannet, bare kort avstand fra solen. Gassen på disken er mye varmere der, og det infrarøde lyset som den avgir, kan fanges opp av et instrument som mine kolleger og jeg har hjulpet å implementere for JWST.
JWST er det siste oppdraget som jeg har arbeidet med. Igjen, det var ved en tilfeldighet at jeg engasjerte meg, men jeg var i en god posisjon med mine amerikanske partnere og kolleger for å hjelpe. Flere av oss fra europeisk og amerikansk side kom sammen og sa: "Hei, vi vil få dette instrumentet til å skje, og vi kan gjøre det i et 50/50 partnerskap."
TKF: Gitt arbeidet ditt med byggesteinene som utgjør stjerner og planeter, virker kosmos koselig eller til og med befordrende for livet?
EVD: Jeg sier alltid at jeg gir byggesteinene, og så er det opp til biologi og kjemi å fortelle resten av historien! [Latter] Til slutt betyr det hvilken type liv vi snakker om. Snakker vi bare om det mest primitive, encellede livet som vi vet oppsto raskt på jorden? Gitt alle ingrediensene som vi har tilgjengelig, er det ingen grunn til at det ikke kan oppstå på noen av de milliarder av exoplaneter som vi nå vet kretser rundt milliarder av andre stjerner.
Når vi går til de neste trinnene i flercellet og til slutt intelligent liv, forstår vi veldig lite ennå hvordan det kommer frem fra enklere liv. Men jeg tror det er trygt å si gitt kompleksitetsnivået, er det mindre sannsynlig at det vil oppstå så ofte som mikrober. [10 eksoplaneter som kan være vert for fremmed liv]
TKF: Hvordan vil feltet innen astrokjemi hjelpe oss med å svare på spørsmålet om det er det fremmede liv i universet?
EVD: Å studere kjemien til eksoplanettatmosfærer er det som vil hjelpe oss å svare på dette spørsmålet. Vi vil finne mange potensielt jordlignende eksoplaneter. Neste trinn vil være å se etter spektrale fingeravtrykk, som jeg nevnte tidligere, i planetenes atmosfærer. I disse fingeravtrykkene vil vi spesifikt lete etter "biomolekyler" eller kombinasjoner av molekyler som kan indikere tilstedeværelsen av en form for liv. Det betyr ikke bare vann, men oksygen, ozon, metan og mer.
Våre nåværende teleskoper kan bare knapt registrere disse fingeravtrykkene i eksoplanetenes atmosfære. Derfor bygger vi neste generasjon av gigantiske bakkebaserte teleskoper, som det ekstremt store teleskopet, som vil ha et speil som er omtrent tre ganger så stort som alt rundt i dag. Jeg er med på å lage vitenskapssaken for det og andre nye instrumenter, og biosignaturer er virkelig et av toppmålene. Det er den spennende retningen hvor astrokjemi vil gå.
