Umělecký dojem Herschelovy vesmírné observatoře s pozorováním formace hvězd v mlhovině rozety v pozadí.
(Obrázek: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, spisovatel a editor Nadace Kavli, přispěl tímto článkem do expertů společnosti Space.com: Op-Ed & Insights.
Laureát Ceny Kavli v roce 2018 diskutuje o své osobní a profesionální cestě do oblasti astrochemie, od významných výletů po kempování, až po vytvoření mezinárodního konsensu o velkorozpočtových observatořích.
NENÍ VŠECHNO MEZERNÍK JE TAKOVÝM MÍSTEM. Galaxie jsou plné prašných mraků obsahujících bohaté dušené druhy molekul, od jednoduchého plynného vodíku po komplexní organické látky kritické pro vývoj života. Uchopením toho, jak se všechny tyto kosmické přísady promíchávají do formování hvězd a planet, bylo životní dílo Ewine van Dishoeck.
Van Dishoecková, chemička cvičící, brzy obrátila oči k vesmíru. Byla průkopníkem mnoha pokroků ve vznikající oblasti astrochemie a využila nejnovější dalekohledy, aby odhalila a popsala obsah obrovských hvězdných mraků. Souběžně s tím Van Dishoeck provedl laboratorní experimenty a kvantové výpočty terra firma porozumět rozpadu kosmických molekul hvězdným světlem, jakož i podmínkám, za nichž se nové molekuly hromadí dohromady jako Lego cihly. [8 záhad astronomických záhad]
„Za její kombinované příspěvky k observační, teoretické a laboratorní astrochemii, která objasňuje životní cyklus mezihvězdných mraků a formování hvězd a planet,“ dodala van Dishoeck v roce 2018 Kavliho cenu za astrofyziku. Je pouze druhým laureátem v jakémkoli oboru, který byl vyznamenán jako jediný příjemce ceny za svou historii.
Chcete-li se dozvědět více o její průlomové kariéře v astrochemii a o tom, co bude dál v oboru, nadace Kavli hovořila s van Dishoeckovou ze své kanceláře v Leidenově observatoři na University of Leiden v Nizozemsku, těsně před tím, než se zúčastnila grilování zaměstnanců. Van Dishoeck je profesorem molekulární astrofyziky a zvoleným prezidentem Mezinárodní astronomické unie (IAU).
Následuje editovaný přepis diskuse u kulatého stolu. Van Dishoeck dostal příležitost změnit nebo upravit své poznámky.
NADACE KAVLI: Co nám astrochemie říká o sobě ao vesmíru, ve kterém žijeme?
EWINE VAN DISHOECK: Celkový příběh vyprávěný astrochemií je, jaký je náš původ? Odkud pocházíme, jak jsme byli postaveni? Jak vznikla naše planeta a slunce? To nás nakonec vede k pokusu objevit základní stavební kameny pro slunce, Zemi a nás. Je to jako Legos - chceme vědět, jaké kousky byly v budově Lego pro naši sluneční soustavu.
Nejzákladnější stavební bloky jsou samozřejmě chemické prvky, ale jak se tyto prvky kombinují a vytvářejí větší stavební bloky - molekuly - ve vesmíru, je zásadní pro pochopení toho, jak všechno ostatní přišlo.
TKF: Vy a další vědci jste nyní identifikovali více než 200 těchto molekulárních stavebních bloků ve vesmíru. Jak se pole vyvíjelo v průběhu vaší kariéry?
EVD: V 70. letech jsme začali objevovat, že velmi neobvyklé molekuly, jako jsou ionty a radikály, jsou ve vesmíru relativně hojné. Tyto molekuly chybí nebo mají nepárové elektrony. Na Zemi netrvají dlouho, protože rychle reagují s jakoukoli jinou věcí, se kterou se setkají. Ale protože je vesmír tak prázdný, mohou ionty a radikály žít desítky tisíc let, než narazí na cokoli.
Nyní směřujeme k identifikaci molekul přítomných v samém srdci regionů, kde se vytvářejí nové hvězdy a planety, právě v tuto chvíli. Přicházíme kolem špinavých iontů a radikálů k více nasyceným molekulám. Patří sem organické molekuly obsahující uhlík v nejjednodušších formách, jako je methanol. Z tohoto základního stavebního bloku methanolu můžete vytvořit molekuly, jako je glykollaldehyd, což je cukr, a ethylenglykol. Obě tyto molekuly jsou „prebiotické“, což znamená, že jsou potřebné pro případnou tvorbu molekul života.
Tam, kde se astrochemické pole posune dál, je daleko od pořizování soupisu molekul a od snahy pochopit, jak se tyto různé molekuly vytvářejí. Snažíme se také pochopit, proč bychom mohli najít větší množství určitých molekul v konkrétních kosmických oblastech v porovnání s jinými druhy molekul.
TKF: To, co jste právě řekl, mě přimělo myslet na analogii: Astrochemie je nyní méně o hledání nových molekul ve vesmíru - něco jako zoologové hledající nová zvířata v džungli. Toto pole je nyní více o „ekologii“ interakce těchto molekulárních zvířat a proč je tu tolik určitého druhu tady ve vesmíru, ale tak málo tam a tak dále.
EVD: To je dobrá analogie! Když chápeme fyziku a chemii toho, jak se hvězdy a planety formují, významná část přichází na to, proč jsou některé molekuly v určitých mezihvězdných oblastech hojné, ale v jiných oblastech jsou „zaniklé“ stejně jako zvířata.
Pokud budeme pokračovat ve vaší metafoře, existuje opravdu mnoho zajímavých interakcí mezi molekulami, které lze přirovnat k ekologii zvířat. Například teplota je řídícím faktorem v chování a interakcích molekul v prostoru, což také ovlivňuje aktivitu zvířat a kde žijí, atd.
TKF: Když se vracíme k myšlence stavebních bloků, jak přesně funguje proces budování v astrochemii?
EVD: Důležitým konceptem při budování molekul ve vesmíru je koncept, který známe z každodenního života na Zemi, nazývaný fázové přechody. Tehdy se pevná látka rozpustí v kapalinu nebo se kapalina vypaří na plyn atd.
Nyní v prostoru má každá molekula svou vlastní „sněhovou linii“, což je rozdělení mezi plynnou fází a pevnou fází. Například voda má sněhovou linii, odkud přechází z vodního plynu na vodní led. Měl bych zdůraznit, že kapalné formy prvků a molekul nemohou existovat ve vesmíru, protože existuje příliš malý tlak; voda může být na Zemi kapalná kvůli tlaku z atmosféry planety.
Zpět na sněhové čáry nyní objevujeme, že hrají velmi důležitou roli při formování planety a ovládají hodně chemie. Jedním z nejdůležitějších stavebních prvků Lego, které jsme zjistili, je oxid uhelnatý. O oxidu uhelnatém na Zemi jsme obeznámeni například proto, že se produkuje při spalování. Se svými kolegy jsme v laboratoři v Leidenu prokázali, že oxid uhelnatý je výchozím bodem pro výrobu mnohem složitějších organických látek ve vesmíru. Oxid uhelnatý zamrzající z plynu do pevné fáze je rozhodujícím prvním krokem k přidání lego stavebních bloků vodíku. Pokud tak učiníte, budete moci budovat větší a větší molekuly, jako je formaldehyd [CH2O], pak methanol, na glykollaldehyd, jak jsme diskutovali, nebo můžete dokonce jít na složitější molekuly, jako je glycerol [C3H8Ó3].
To je jen jeden příklad, ale dává vám představu o tom, jak se proces budování v astrochemii odehrává.
TKF: Právě jste se zmínil o své laboratoři v Leidenově observatoři Sacklerova laboratoř pro astrofyziku, kterému rozumím, má vyznamenání jako vůbec první astrofyzikální laboratoř. Jak se to stalo a co jste tam dosáhli?
EVD: To je správně. Mayo Greenberg, průkopnický astrochemik, založil laboratoř v 70. letech 20. století a byl skutečně prvním svého druhu pro astrofyziku na světě. Odešel do důchodu a pak jsem nechal laboratoř chodit. Nakonec jsem se stal ředitelem této laboratoře na začátku 90. let a zůstal tak až do roku 2004, kdy se ujal vedení kolega. Stále tam spolupracuji a experimentuji.
To, čeho se nám v laboratoři podařilo dosáhnout, jsou extrémní podmínky vesmíru: jeho chlad a jeho záření. Dokážeme reprodukovat teploty ve vesmíru až do 10 kelvinů [mínus 442 stupňů Fahrenheita; minus 260 stupňů Celsia], což je jen nepatrně nad absolutní nulu. Můžeme také obnovit intenzivní ultrafialové záření ve hvězdném světle, kterému jsou molekuly vystaveny v oblastech tvorby nových hvězd. [Hvězdný kvíz: Vyzkoušejte své hvězdné smarty]
Tam, kde selháme, je však reprodukování prázdnoty vesmíru, vakua. V laboratoři považujeme ultra-vysoké vakuum za řádově 108 do 1010 [sto až deset miliard] částic na krychlový centimetr. To, co astronomové nazývají hustým mrakem, kde dochází ke vzniku hvězd a planet, má jen asi 104nebo asi 10 000 částic na centimetr krychlový. To znamená, že hustý mrak ve vesmíru je stále milionkrát prázdnější než to, co můžeme v laboratoři udělat!
Ale nakonec to funguje v náš prospěch. V extrémním vakuu vesmíru se chemie, kterou máme v úmyslu pochopit, pohybuje velmi, velmi pomalu. To prostě nebude dělat v laboratoři, kde nemůžeme čekat na 10 000 nebo 100 000 let, než se molekuly navzájem narazí a vzájemně se ovlivňují. Místo toho musíme být schopni udělat reakci za den, abychom se mohli naučit cokoli na časových stupnicích vědecké kariéry. Takže vše urychlujeme a dokážeme převést to, co vidíme v laboratoři, na mnohem delší časové škály ve vesmíru.
TKF: Kromě laboratorní práce jste během své kariéry použil k výzkumu molekul ve vesmíru řadu dalekohledů. Které nástroje byly pro váš výzkum zásadní a proč?
EVD: Během celé mé kariéry byly klíčové nové nástroje. Astronomie je skutečně poháněna pozorováním. Mít stále silnější dalekohledy v nových vlnových délkách světla je jako dívat se na vesmír různými očima.
Abych vám dal příklad, na konci 80. let jsem se vrátil do Nizozemska, když byla země silně zapojena do infračervené vesmírné observatoře neboli do ISO, mise vedené Evropskou kosmickou agenturou [ESA]. Cítil jsem se velmi šťastný, že někdo jiný 20 let tvrdě pracoval na tom, aby se tento dalekohled stal skutečností, a mohl jsem ho šťastně použít! ISO byla velmi důležitá, protože otevřela infračervené spektrum, kde jsme mohli vidět všechny tyto spektrální podpisy, jako jsou chemické otisky prstů, ledů včetně vody, které hrají hlavní roli při tvorbě hvězd a planet a ve vodě, jsou samozřejmě životně důležité. To byl skvělý čas.
Další velmi důležitou misí byla Herschelova vesmírná observatoř, se kterou jsem se osobně zapojil jako postgraduální student již v roce 1982. Ze strany chemie bylo jasné, že Herschel byl hlavní misí pro mezihvězdné molekuly, a zejména „sledoval vodní stezka. “ Nejdříve jsme ale museli dát do ESA vědu. Několik let jsem šel do USA a vedl jsem tam podobné diskuse, kde jsem pomohl předložit vědecký případ pro Herschel agenturám poskytujícím financování v USA. Byl to velký krok, dokud nebyla mise konečně schválena na konci 90. let. Pak to ještě trvalo 10 let, než jsme se postavili a uvedli na trh, ale konečná data jsme dostali až na konci roku 2009. Takže od roku 1982 do roku 2009 - to byl dlouhý běh! [Fotografie: Úžasné infračervené snímky Herschel Space Observatory]
TKF: Kdy a kde zakořenily vaše lásky k vesmíru a chemii?
EVD: Moje hlavní láska byla vždy pro molekuly. To začalo na střední škole s velmi dobrým učitelem chemie. Hodně záleží na opravdu dobrých učitelích a nemyslím si, že si lidé vždy uvědomují, jak je to důležité. Až když jsem se dostal na vysokou školu, uvědomil jsem si, že fyzika je stejně zábavná jako chemie.
TKF: Jakou akademickou cestou jste se nakonec stal astrochemistou?
EVD: Na Leidenské univerzitě jsem udělal svého magistra chemie a byl jsem přesvědčen, že chci pokračovat v teoretické kvantové chemii. Ale profesor v tomto oboru v Leidenu zemřel. Začal jsem tedy hledat další možnosti. Tehdy jsem toho o astronomii moc nevěděl. Byl to můj tehdejší přítel a současný manžel Tim, který právě zaslechl přednášku na mezihvězdném médiu, a Tim mi řekl: „Víte, v vesmíru jsou také molekuly!“ [Smích]
Začal jsem zkoumat možnost dělat práci o molekulách ve vesmíru. Šel jsem od jednoho profesora k druhému. Jeden kolega v Amsterodamu mi řekl, že abych se opravdu dostal do oblasti astrochemie, musel jsem jít na Harvard, abych pracoval s profesorem Alexandrem Dalgarnem. Jak se stalo, v létě 1979 jsme spolu s Timem cestovali do Kanady, aby se zúčastnili Valného shromáždění Mezinárodní astronomické unie v Montrealu. Zjistili jsme, že satelitní schůzky se konaly před Valným shromážděním a jedna z nich se vlastně dělala v tomto konkrétním parku, kde jsme s Timem tábořili. Myšlenka, kterou jsme měli, byla: „No, možná bychom měli využít této příležitosti a jít za tímto profesorem Dalgarnem již!“
Samozřejmě jsme měli všechno toto vybavení a oblečení na kempování, ale měl jsem s sebou jednu čistou sukni, kterou jsem si oblékl. Tim mě přivedl na satelitní setkání, našli jsme svého kolegu z Amsterdamu a řekl: „Ach, dobře, představím vás profesorovi Dalgarnovi.“ Profesor mě vzal ven, povídali jsme si pět minut, zeptal se mě, co jsem udělal, jaká byla moje sada dovedností v astrochemii, a pak řekl: „Zní to zajímavě, proč pro mě nepřijdete a nepracujete?“ To byl očividně klíčový okamžik.
Tak to všechno začalo. Od té chvíle jsem nikdy nelitoval.
TKF: Byly ještě další klíčové okamžiky, možná brzy v dětství, které tě postavily na cestu k tomu, abys byl vědcem?
EVD: Vlastně ano. Bylo mi asi 13 let a můj otec právě uspořádal sobotní dovolenou v kalifornském San Diegu. Vystoupil jsem ze střední školy v Nizozemsku, kde jsme většinou absolvovali hodiny latiny a řečtiny a samozřejmě také matematiku. Co se týče chemie nebo fyziky, ještě jsme neměli nic a biologie začala až o nejméně jeden nebo dva roky později.
Na juniorské střední škole v San Diegu jsem se rozhodl studovat témata, která byla velmi odlišná. Vzal jsem si například španělštinu. Tam byla také možnost dělat vědu. Měl jsem velmi dobrou učitelku, která byla afroamerickou ženou, která byla v té době, v roce 1968, docela neobvyklá. Byla jen velmi inspirativní. Měla experimenty, měla otázky a opravdu mě dokázala vtáhnout do vědy.
TKF: Nyní se těšíme na slib Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), který byl otevřen před několika lety a patří mezi nejambicióznější a nejdražší pozemní astronomické projekty, jaké kdy byly realizovány. Astrofyzik Reinhard Genzel vám připisuje pomoc při prosazování mezinárodního konsensu za touto observatoří. Jak jste se obrátil na ALMA?
EVD: ALMA byla úžasným úspěchem jako premiérová observatoř v této speciální řadě milimetrového a submilimetrového světla, které je důležitým oknem pro pozorování molekul ve vesmíru. Dnes se ALMA skládá ze 66 rádiových dalekohledů s konfiguracemi 7- a 12 metrů, které se táhnou po výškové výšině v Chile. Byla to velmi dlouhá cesta, abychom se dostali tam, kde jsme teď!
ALMA je výsledkem snů mnoha tisíc lidí. Byl jsem jedním ze dvou členů evropské strany v americkém vědeckém poradním výboru pro ALMA. Znal jsem severoamerickou vědeckou komunitu dobře od mých šesti let práce v USA. Obě strany, stejně jako Japonsko, měly pro ALMA velmi odlišné koncepty. Evropané přemýšleli o dalekohledu, který by mohl být použit pro hlubokou, velmi ranou vesmírnou chemii, zatímco Severoameričané mnohem více přemýšleli o zobrazování ve velkém měřítku s vysokým rozlišením; jedna skupina mluvila o stavbě osmimetrových dalekohledů, druhá o 15metrových dalekohledech. [Seznamte se s ALMA: Úžasné fotografie z obřího radioteleskopu]
Byl jsem tedy jedním z lidí, kteří pomohli tyto dva argumenty spojit. Řekl jsem: „Pokud postavíte mnohem větší pole, ve skutečnosti všichni vyhrajeme.“ Plán měl spojit větší počet dalekohledů v jednom poli, spíše než oddělená pole, která nejsou tak silná. A to se stalo. Namísto toho, abychom byli konkurencí, jsme spíše nastavili tón spolupráce na tomto fantastickém projektu.
TKF: Jaké nové hranice otevírá ALMA v astrochemii?
EVD: Velký skok, který děláme s ALMA, je v prostorovém rozlišení. Představte si, že se díváte na město shora. První obrázky aplikace Google Earth byly velmi chudé - téměř nic neviděli; město bylo velké blob. Od té doby jsou obrázky stále ostřejší a ostřejší, protože se zlepšilo prostorové rozlišení pomocí kamer na palubách satelitů. Nyní můžete vidět kanály [v nizozemských městech], ulice, dokonce i jednotlivé domy. Můžete opravdu vidět, jak je celé město sestaveno.
Totéž se děje nyní s rodišti planet, což jsou ty malé disky kolem mladých hvězd. Tyto disky jsou stokrát až tisíckrát menší než mraky, na které jsme se dříve dívali, kde se rodí hvězdy. S ALMA se přibližujeme do oblastí, kde se vytvářejí nové hvězdy a planety. To jsou skutečně relevantní stupnice, aby bylo možné pochopit, jak tyto procesy fungují. ALMA má jedinečně spektroskopické schopnosti detekovat a studovat velmi širokou škálu molekul zapojených do těchto procesů. ALMA je fantastický krok vpřed od všeho, co jsme předtím měli.
TKF: Nové dalekohledy, které jste použili po celou dobu své kariéry, se ukázaly jako mimořádné. Zároveň jsme stále omezeni na to, co můžeme vidět ve vesmíru. Když přemýšlíte o budoucnosti budoucích generací dalekohledů, co doufáte?
EVD: Dalším krokem v našem výzkumu je kosmický dalekohled James Webb [JWST], který má být spuštěn v roce 2021. S JWST se opravdu těším na organické molekuly a vodu na ještě menších měřítcích a v různých částech planety - formovací zóny, než je možné u ALMA.
Ale ALMA bude zásadní pro náš výzkum na dlouhou dobu - dalších 30 až 50 let. Stále je toho tolik, co musíme objevit s ALMA. ALMA nám však nemůže pomoci studovat velmi vnitřní část disku tvořícího planetu, na stupnici, kde se naše Země utvořila, jen kousek od Slunce. Plyn na disku je zde mnohem teplejší a infračervené světlo, které vyzařuje, může být zachyceno nástrojem, který jsme s kolegy pomohli implementovat pro JWST.
JWST je poslední mise, na které jsem pracoval. Znovu jsem se náhodou zapojil, ale pomohl jsem svým americkým partnerům a kolegům v dobré pozici. Řada z nás ze strany Evropy a USA se sešla a řekla: „Hej, chceme, aby se tento nástroj stal skutečností a můžeme to udělat v partnerství 50/50.“
TKF: Zdá se, že vzhledem k vaší práci na stavebních blocích, které tvoří hvězdy a planety, je vesmír přístupný nebo dokonce přispívá k životu?
EVD: Vždycky říkám, že dodávám stavební kameny, a pak je na biologii a chemii, aby vyprávěli zbytek příběhu! [Smích] Nakonec záleží na tom, o jakém životě mluvíme. Mluvíme jen o nejprimitivnějším, jednobuněčném životě, o kterém víme, že se na Zemi rychle objevil? Vzhledem k tomu, že máme k dispozici všechny ingredience, není důvod, proč by to nemohlo vzniknout na žádné z miliard exoplanet, o kterých víme, že obíhají miliardy jiných hvězd.
Jdeme-li k dalším krokům mnohobuněčného a nakonec inteligentního života, zatím jen velmi málo chápeme, jak to vychází z jednoduššího života. Ale myslím, že je bezpečné říci, vzhledem k úrovni složitosti, je méně pravděpodobné, že k tomu dojde tak často, jako například mikroby. [10 exoplanet, které by mohly hostit cizí život]
TKF: Jak nám oblast astrochemie pomůže odpovědět na otázku, zda existuje mimozemský život ve vesmíru?
EVD: Studium chemie exoplanetových atmosfér nám pomůže odpovědět na tuto otázku. Najdeme mnoho potenciálně exoplanet podobných Zemi. Dalším krokem bude hledat spektrální otisky prstů, které jsem zmínil dříve, v atmosférách planet. Na těchto otiscích prstů budeme konkrétně hledat „biomolekuly“ nebo kombinace molekul, které by mohly naznačovat přítomnost nějaké formy života. To znamená nejen vodu, ale také kyslík, ozon, metan a další.
Naše současné dalekohledy jen stěží detekují tyto otisky prstů v atmosféře exoplanet. Proto budujeme novou generaci obrovských pozemních dalekohledů, jako je Extremely Large Telescope, který bude mít zrcadlo, které je asi třikrát větší než cokoli kolem dneška. Zapojím se do toho, aby věda byla pro toto a další nové nástroje a biologické podpisy jsou opravdu jedním z hlavních cílů. To je vzrušující směr, kam bude astrochemie jít.
