Впечатление на художника от космическата обсерватория Хершел с нейните наблюдения върху образуването на звезди в мъглявината Розет на заден план.
(Изображение: © C. Carreau / ESA)
Адам Хадзази, писател и редактор на фондация Kavli, допринесе тази статия за експертните гласове на Space.com: Op-Ed & Insights.
От често срещаните къмпингуващи пътувания до изграждането на международен консенсус относно големите бюджетни обсерватории, лауреатът на наградата „Кавли“ за 2018 г. обсъжда нейното лично и професионално пътуване в областта на астрохимията.
НЕ ВСИЧКИ ПРОСТРАНСТВА СА ТАКИВА МЯСТО. Галактиките са пълни с дъх прашни облаци, съдържащи богати яхнии от молекули, вариращи от обикновен водороден газ до сложни органични вещества, критични за развитието на живота. Разбирането как всички тези космически съставки се смесват във формирането на звезди и планети е дело на живота на Ивин ван Дишоек.
Химик по обучение, ван Дишок скоро насочи очи към Космоса. Тя е пионер в редица постижения в нововъзникващата област на астрохимията, използвайки най-новите телескопи, за да разкрие и опише съдържанието на обширни звездни облаци. Успоредно с това Ван Дишок провежда лабораторни експерименти и квантови изчисления на terra firma за да разберем разпадането на космическите молекули по звездна светлина, както и условията, при които нови молекули се подреждат заедно като Лего тухли. [8 загадъчни астрономически мистерии]
„За комбинирания си принос към наблюдателната, теоретичната и лабораторната астрохимия, изясняваща жизнения цикъл на междузвездни облаци и образуването на звезди и планети, ван Дишоек получи наградата„ Кавли “за астрофизика през 2018 г. Тя е едва вторият лауреат в която и да е област, отличен като единствен получател на наградата през своята история.
За да научи повече за пробивната си кариера в астрохимията и какво следва за тази област, Фондация Kavli разговаря с ван Дишоек от нейния офис в Обсерваторията Лайден в Университета в Лайден в Холандия, точно преди да посети барбекюто на персонала. Ван Дишок е професор по молекулярна астрофизика и избран президент на Международния астрономически съюз (IAU).
Следва редактиран препис от дискусията на кръглата маса. На Van Dishoeck е предоставена възможността да изменя или редактира своите забележки.
ФОНДАЦИЯТА НА КАВЛИ: Какво ни казва астрохимията за себе си и Вселената, в която живеем?
EWINE VAN DISHOECK: Цялостната история, разказана от астрохимията е, какъв е произходът ни? Откъде идваме, как бяхме построени? Как се оформиха нашата планета и слънце? Това в крайна сметка ни кара да се опитаме да открием основните градивни елементи за слънцето, Земята и нас. Това е като Legos - искаме да знаем какви парчета бяха в сградата на Lego за нашата слънчева система.
Най-основните градивни елементи, разбира се, са химическите елементи, но как тези елементи се комбинират, за да създадат по-големи градивни елементи - молекули - в космоса е от решаващо значение за разбирането на начина, по който е станало всичко останало.
TKF: Вие и други изследователи вече сте идентифицирали повече от 200 от тези молекулярни градивни елементи в космоса. Как се разви полето през вашата кариера?
EVD: През 70-те години на миналия век започнахме да откриваме, че много необичайни молекули, като йони и радикали, са сравнително изобилни в пространството. Тези молекули липсват или имат несдвоени електрони. На Земята те не упорстват дълго, защото бързо реагират с всяка друга материя, която срещат. Но тъй като пространството е толкова празно, йони и радикали могат да живеят десетки хиляди години, преди да се натъкнат на нещо.
Сега ние се насочваме към идентифициране на молекулите, присъстващи в самото сърце на регионите, където се формират нови звезди и планети, точно в този момент. Ние минаваме покрай забелязването на изолирани йони и радикали към по-наситени молекули. Те включват органични [съдържащи въглерод] молекули в най-прости форми, като метанол. От този основен метанолен градивен елемент можете да изградите молекули като гликолалдехид, който е захар, и етиленгликол. И двете са "пребиотични" молекули, което означава, че са необходими за евентуалното формиране на молекулите на живота.
Където следва полето на астрохимията е далеч от инвентаризация на молекулите и до опит да се разбере как се формират тези различни молекули. Ние също се опитваме да разберем защо можем да намерим по-големи количества от определени молекули в определени космически региони спрямо други видове молекули.
TKF: Това, което току-що казахте, ме кара да се замисля за аналогия: Астрохимията сега е по-малко за намирането на нови молекули в космоса - нещо като зоолози, които търсят нови животни в джунглата. Полето сега е по-скоро за „екологията“ за това как взаимодействат тези молекулярни животни и защо има толкова много от определен вид тук в космоса, но толкова малко там и т.н.
EVD: Това е добра аналогия! Тъй като започваме да разбираме физиката и химията на това как се формират звезди и планети, значителна част измисля защо някои молекули са в изобилие в определени междузвездни региони, но са "изчезнали", както биха могли да бъдат животните в други региони.
Ако продължим вашата метафора, наистина има много интересни взаимодействия между молекулите, които могат да се оприличат на екологията на животните. Например, температурата е контролиращ фактор в поведението и взаимодействията на молекулите в космоса, което също влияе върху дейността на животните и къде живеят и т.н.
TKF: Връщайки се към идеята за строителните блокове, как точно работи процесът на изграждане в астрохимията?
EVD: Важна концепция за изграждането на молекули в Космоса е тази, която познаваме от ежедневието тук на Земята, наречена фазови преходи. Това е, когато твърдо вещество се разтопи в течност или течност се изпарява в газ и т.н.
Сега в космоса всяка молекула има своя собствена "снежна линия", която е разделението между газова фаза и твърда фаза. Така, например, водата има снежна линия, където преминава от воден газ към воден лед. Трябва да отбележа, че течните форми на елементи и молекули не могат да съществуват в космоса, защото има твърде малко налягане; водата може да бъде течна на Земята поради натиска от атмосферата на планетата.
Връщайки се към снежните линии, сега откриваме, че те играят много важна роля за формирането на планети, контролирайки голяма част от химията. Един от най-важните строителни блокове на Lego, така да се каже, че сме открили въглеродния окис. Ние сме запознати с въглеродния окис на Земята, защото например той се произвежда при изгаряне. Моите колеги и аз демонстрирахме в лабораторията в Лайден, че въглеродният окис е отправна точка за създаването на много по-сложни органични вещества в космоса. Замразяването на въглероден окис от газ до твърда фаза е решаваща първа стъпка към добавянето на Lego градивни елементи от водород. Това ви позволява да продължите да изграждате по-големи и по-големи молекули като формалдехид [CH2O], след това метанол, към гликолалдехид, както обсъждахме, или дори можете да преминете към по-сложни молекули като глицерол [C3Н8О3].
Това е само един пример, но той дава усещане за това как се развива процес на изграждане в астрохимията.
TKF: Току-що споменахте лабораторията си в Лайденската обсерватория Sackler Laboratory for Astrophysics, което разбирам, има разграничение като първата в историята лаборатория по астрофизика. Как стана и какво постигна там?
EVD: Това е вярно. Майо Грийнбърг, пионер астрохимик, стартира лабораторията през 70-те години и наистина беше първата по рода си за астрофизика в света. Той се пенсионира и тогава аз продължих лабораторията. В крайна сметка станах директор на тази лаборатория в началото на 90-те години и останах така до около 2004 г., когато колега пое ръководството. Все още си сътруднича и правя експерименти там.
Това, което успяхме да постигнем в лабораторията, са екстремните условия на космоса: неговата студенина и излъчване. Можем да възпроизвеждаме температурите в космоса до 10 келвина [минус 442 градуса по Фаренхайт; минус 260 градуса по Целзий], което е само малко над абсолютната нула. Също така можем да пресъздадем интензивното ултравиолетово лъчение на звездна светлина, на което са подложени молекулите в региони на новообразуване на звезди. [Star Quiz: Тествайте своите звездни умници]
Там, където се проваляме, е да възпроизведем празнотата на пространството, вакуума. Ние считаме, че свръх висок вакуум в лабораторията да има от порядъка на 108 до 1010 [сто милиона до десет милиарда] частици на кубичен сантиметър. Това, което астрономите наричат плътен облак, където се случват образувания на звезди и планети, има само около 104, или около 10 000 частици на кубичен сантиметър. Това означава, че гъстият облак в космоса все още е милион пъти по-изпразнен от най-доброто, което можем да направим в лабораторията!
Но това в крайна сметка работи в наша полза. В екстремния вакуум на космоса химията, която се интересуваме от разбирането, се движи много, много бавно. Това просто няма да се случи в лабораторията, където не можем да чакаме 10 000 или 100 000 години, за да могат молекулите да се натъкнат една на друга и да си взаимодействат. Вместо това трябва да можем да направим реакцията за един ден, за да научим каквото и да е по времевите мащаби на кариерата в областта на човешките науки. Така ние ускоряваме всичко и можем да преведем това, което виждаме в лабораторията, в далеч по-дългите времеви мащаби в пространството.
TKF: В допълнение към лабораторната работа, през кариерата си сте използвали масив от телескопи, за да изучавате молекули в космоса. Кои инструменти бяха от съществено значение за вашето изследване и защо?
EVD: Новите инструменти бяха от решаващо значение през цялата ми кариера. Астрономията наистина се движи от наблюдения. Да имаш все по-мощни телескопи в нови дължини на вълната на светлината е все едно да гледаш Вселената с различни очи.
За да ви дам пример, в края на 80-те се върнах в Холандия, когато страната беше силно включена в обсерваторията за инфрачервено пространство или ISO, мисия, ръководена от Европейската космическа агенция [ESA]. Чувствах се много щастлив, че някой друг бе свършил упоритата работа в продължение на 20 години, за да превърне този телескоп в реалност и с радост бих могъл да го използвам! ISO беше много важен, тъй като отвори инфрачервения спектър, където можехме да видим всички тези спектрални подписи, като химически пръстови отпечатъци, на конци, включително вода, които играят основна роля във формирането на звезди и планети и във водния случай, разбира се, са от решаващо значение за живота. Това беше страхотно време.
Следващата много значима мисия беше космическата обсерватория Хершел, с която аз лично се включих като аспирант през 1982 г. От страна на химията беше ясно, че Хершел е основна мисия за междузвездни молекули и по-специално за „следване на водна пътека. " Но първо трябваше да направим научния случай на ESA. Отидох в САЩ в продължение на няколко години и се включих в подобни дискусии там, където помогнах да направя научния случай за Herschel на американските агенции за финансиране. Всичко това беше голям тласък, докато мисията беше окончателно одобрена в края на 90-те години. Тогава все още бяха необходими 10 години за изграждането и пускането, но най-накрая получихме първите си данни в края на 2009 г. Така че от 1982 до 2009 г. - това беше дългосрочен план! [Снимки: Удивителните инфрачервени изображения на космическата обсерватория на Хершел]
TKF: Кога и къде се вкорениха любовта ви към космоса и химията?
EVD: Основната ми любов винаги беше към молекулите. Това започна в гимназията с много добър учител по химия. Много зависи от наистина добрите учители и не мисля, че хората винаги осъзнават колко важно е това. Едва когато стигнах до колежа, разбрах, че физиката е също толкова забавна, колкото и химията.
TKF: Какъв академичен път поехте, за да станете в крайна сметка астрохимик?
EVD: В университета в Лайден направих магистратурата си по химия и бях убеден, че искам да продължа с теоретичната квантова химия. Но професорът в тази област в Лайден беше починал. Затова започнах да оглеждам други възможности. Наистина не знаех много за астрономията по това време. Тогавашното ми гадже и настоящ съпруг Тим току-що беше чул набор от лекции по междузвездната среда и Тим ми каза: „Знаеш ли, в космоса има и молекули!“ [Смях]
Започнах да разглеждам възможността да правя теза за молекулите в космоса. Преминах от един професор към другия. Колега в Амстердам ми каза, че за да вляза в областта на астрохимията, трябва да отида в Харвард, за да работя с професор Александър Далгарно. Както стана, през лятото на 1979 г. с Тим пътувахме в Канада, за да присъстваме на Общото събрание на Международния астрономически съюз в Монреал. Разбрахме, че сателитните срещи се провеждат преди Общото събрание и една от тях всъщност се случваше в този специфичен парк, където Тим и аз лагерувахме. Идеята, която имахме, беше: "Е, може би трябва да се възползваме от тази възможност и да отидем да видим този професор Далгарно вече!"
Разбира се, имахме цялата тази къмпинг екипировка и дрехи, но имах една чиста пола със себе си, която облечих. Тим ме заведе на сателитната среща, намерихме моя колега от Амстердам и той каза: „О, добре, ще ви запозная с професор Далгарно“. Професорът ме заведе навън, разговаряхме пет минути, той ме попита какво съм направил, какъв е моят набор от умения по астрохимия и след това той каза: „Звучи интересно; защо не дойдеш да работиш за мен?“ Това очевидно беше важен момент.
Така започна всичко. Оттогава не съм съжалявал нито един момент.
TKF: Имаше ли други основни моменти, може би в ранна детска възраст, които ви поставиха пътя на това да бъдете учен?
EVD: Всъщност да. Бях на около 13 години и баща ми току-що беше уредил събота в Сан Диего, Калифорния. Напуснах гимназията си в Холандия, където бяхме получили предимно уроци по латински и гръцки език и разбира се някаква математика. Но все още нямахме нищо по отношение на химията или физиката и биологията не започна поне една-две години по-късно.
В прогимназията в Сан Диего реших да изучавам много различни теми. Взех например испански. Имаше и възможност да се занимава с наука. Имах много добър учител, който беше афро-американска жена, което по онова време, през 1968 г., беше доста необичайно. Просто беше много вдъхновяваща. Тя имаше експерименти, имаше въпроси и наистина успя да ме привлече в науката.
TKF: Сега гледам напред към обещанието на Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), който се отвори преди няколко години и е сред най-амбициозните и скъпи наземни астрономически проекти, реализирани някога. Астрофизикът Райнхард Гензел ви кредитира, че помагате за изграждането на международния консенсус зад тази обсерватория. Как се спряхте на ALMA?
EVD: ALMA има невероятен успех като премиерната обсерватория в този специален диапазон от милиметрова и субмилиметрова светлина, който е важен прозорец за наблюдение на молекулите в космоса. Днес ALMA се състои от 66 радиотелескопа с 7- и 12-метрова конфигурация, които се простират на равнина с голяма надморска височина в Чили. Беше много дълъг път да стигнем до мястото, където сме сега!
ALMA е резултат от мечтите на много хиляди хора. Бях един от двама членове от европейската страна в Съветския съвет за научни изследвания на САЩ за ALMA. Познавах добре северноамериканската научна общност от шестте си години, работещи в САЩ. Двете страни, както и Япония, имаха много различни концепции за ALMA. Европейците мислеха за телескоп, който може да се използва за дълбока, много ранна вселена на химията, докато северноамериканците мислеха много повече за широкомащабни изображения с висока резолюция; едната група говори за изграждането на осемметрови телескопи, другата за 15-метрови телескопи. [Запознайте се с ALMA: Невероятни снимки от гигантския радио телескоп]
И така, аз бях един от хората, които помогнаха за обединяването на тези два аргумента. Казах, "Ако изградите много по-голям масив, всъщност всички печелим." Планът стана обединяването на по-голям брой телескопи в един масив, а не отделни масиви, които не са толкова мощни. И това се случи. Задаваме тон да работим заедно по този фантастичен проект, а не да сме конкуренти.
TKF: Какви нови граници е отварянето на ALMA в астрохимията?
EVD: Големият скок, който правим с ALMA, е в пространствената разделителна способност. Представете си, че гледате град отгоре. Първите изображения на Google Земя бяха много лоши - едва ли виждате нищо; град беше голямо петно. Оттогава изображенията стават все по-резки и по-резки, тъй като пространствената разделителна способност се подобрява с камерите на борда на спътниците. В наши дни можете да видите каналите [в холандските градове], улиците, дори отделни къщи. Наистина можете да видите как се събира целият град.
Същото се случва сега с местата за раждане на планетите, които са тези малки дискове около младите звезди. Тези дискове са сто до хиляда пъти по-малки от облаците, които разгледахме преди това, където се раждат звезди. С ALMA увеличаваме зоната в регионите, където се формират нови звезди и планети. Това са наистина подходящите везни, за да се разбере как работят тези процеси. И уникално ALMA притежава спектроскопските възможности да открива и изучава много широк спектър от молекули, участващи в тези процеси. ALMA е фантастична крачка напред от всичко, което сме имали преди.
TKF: Новите телескопи, които сте използвали през целия период на кариерата си, се оказаха изключителни. В същото време ние все още сме ограничени в това, което можем да видим в Космоса. Когато мислите напред за бъдещите поколения телескопи, какво най-много се надявате да видите?
EVD: Следващата стъпка в нашето изследване е космическият телескоп Джеймс Уеб [JWST], пуснат на пазара през 2021 г. С JWST наистина се радвам да видя органични молекули и вода на още по-малки скали и в различни части на планетата - формиране на зони, отколкото е възможно при ALMA.
Но ALMA ще бъде от съществено значение за нашите изследвания за дълго време - още 30 до 50 години. Има още толкова много, които трябва да открием с ALMA. Въпреки това, ALMA не може да ни помогне да проучим самата вътрешна част на един формиращ планетата диск, в мащаба на мястото, където се е образувала нашата Земя, само на малко разстояние от слънцето. Газът в диска е много по-топъл там, а инфрачервената светлина, която излъчва, може да бъде уловена от инструмент, който моите колеги и аз помогнахме да внедрим за JWST.
JWST е последната мисия, над която съм работил. Отново случайно се включих, но бях в добра позиция с американските си партньори и колеги да помогна. Редица от нас от европейската и американската страна се събраха и казаха: „Ей, искаме да направим този инструмент и можем да го направим в партньорство 50/50“.
TKF: Имайки предвид работата ви върху строителните блокове, които съставят звезди и планети, изглежда ли космосът приличен или дори благоприятен за живота?
EVD: Винаги казвам, че осигурявам градивните елементи и тогава зависи от биологията и химията, за да разкажа останалата част от историята! [Смях] В крайна сметка има значение за какъв живот говорим. Говорим ли само за най-примитивния едноклетъчен живот, за който знаем, че е възникнал бързо на Земята? Като се имат предвид всички съставки, които имаме на разположение, няма причина, поради която това не би могло да възникне на нито една от милиардите екзопланети, за които сега знаем, че обикалят около милиарди други звезди.
Преминавайки към следващите стъпки на многоклетъчния и в крайна сметка интелигентен живот, ние разбираме много малко, но как това произлиза от по-простия живот. Но мисля, че е безопасно да се каже, като се има предвид нивото на сложност, по-малко вероятно е това да възникне толкова често, колкото, да речем, микробите. [10 екзопланети, които могат да бъдат домакин на извънземен живот]
TKF: Как полето на астрохимията ще ни помогне да отговорим на въпроса дали има извънземен живот във Вселената?
EVD: Изучаването на химията на екзопланетните атмосфери е това, което ще ни помогне да отговорим на този въпрос. Ще открием много потенциално подобни на Земята екзопланети. Следващата стъпка ще бъде да се търсят спектрални пръстови отпечатъци, които споменах по-рано, в атмосферите на планетите. В тези пръстови отпечатъци специално ще търсим „биомолекули“ или комбинации от молекули, които биха могли да показват наличието на някаква форма на живот. Това означава не само вода, а кислород, озон, метан и други.
Нашите настоящи телескопи едва могат да открият тези пръстови отпечатъци в атмосферата на екзопланети. Ето защо изграждаме следващото поколение гигантски наземни телескопи, като изключително големия телескоп, който ще има огледало, което е около три пъти по-голямо от всичко наоколо. Участвам в създаването на научен казус за това и други нови инструменти, а биосигнатурите наистина са една от основните цели. Това е вълнуващата посока, в която ще тръгне астрохимията.
