O impresie a artistului asupra Observatorului Spațial Herschel cu observațiile sale despre formarea stelelor în Nebula Rosette în fundal.
(Imagine: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, scriitor și redactor pentru The Kavli Foundation, a contribuit cu acest articol la Space Voices: Op-Ed & Insights.
De la călătorii în camping serendipitous până la falsificarea consensului internațional privind observatoarele cu buget mare, laureatul Premiului Kavli 2018 discută despre călătoria ei personală și profesională în domeniul astrochimiei.
NU TOȚI SPAȚIUL ESTE ACEST LOC BARREN. Galaxiile sunt pline de nori prăfuiți care conțin tocanele bogate de molecule, de la simple hidrogen gaz până la substanțe organice complexe critice pentru dezvoltarea vieții. Învățarea modului în care toate aceste ingrediente cosmice se amestecă în formarea de stele și planete a fost opera vieții lui Ewine van Dishoeck.
Un chimist care se antrenează, Van Dishoeck și-a îndreptat curând ochii spre cosmos. Ea a fost pionieră în multe progrese în domeniul emergent al astrochimiei, valorificând cele mai noi telescoape pentru a dezvălui și descrie conținutul unor vaste nori purtători de stele. În paralel, van Dishoeck a urmărit experimente de laborator și calcule cuantice Terra Firma pentru a înțelege descompunerea moleculelor cosmice prin lumina stelară, precum și condițiile în care moleculele noi se stivuiesc ca cărămizile Lego. [8 mistere ale astronomiei Baffling]
"Pentru contribuțiile sale combinate la astrochimia observațională, teoretică și de laborator, elucidând ciclul de viață al norilor interstelari și formarea de stele și planete", Van Dishoeck a primit Premiul Kavli 2018 în Astrofizică. Ea este doar al doilea laureat din orice domeniu care a fost distins ca unic beneficiar al premiului de-a lungul istoriei sale.
Pentru a afla mai multe despre evoluția ei în carieră în astrochimie și ce urmează pentru domeniu, Fundația Kavli a vorbit cu van Dishoeck din biroul ei de la Observatorul Leiden de la Universitatea din Leiden, în Olanda, chiar înainte de a participa la un barbeque de personal. Van Dishoeck este profesor de astrofizică moleculară și președinte ales al Uniunii Astronomice Internaționale (UAI).
Următoarea este o transcriere editată a mesei rotunde. Van Dishoeck i-a fost oferită posibilitatea de a-și modifica sau modifica remarcile.
FUNDAȚIA KAVLI: Ce ne spune astrochimia despre noi înșine și universul în care trăim?
EWINE VAN DISHOECK: Povestea de ansamblu spusă de astrochimie este, care este originea noastră? De unde venim, cum am fost construiți? Cum s-au format planeta și soarele? Acest lucru ne conduce în cele din urmă să încercăm să descoperim elementele de bază pentru soare, Pământ și noi. Este ca Legos - vrem să știm ce piese au fost construite în clădirea Lego pentru sistemul nostru solar.
Cele mai de bază blocuri de construcție sunt, desigur, elementele chimice, dar modul în care aceste elemente se combină pentru a crea blocuri de construcții mai mari - molecule - în spațiu este crucial pentru a înțelege cum a ajuns totul altceva.
TKF: Dvs. și alți cercetători ați identificat acum peste 200 dintre aceste blocuri moleculare din spațiu. Cum a evoluat domeniul de-a lungul carierei tale?
EVD: În anii '70, am început să descoperim că molecule foarte neobișnuite, precum ionii și radicalii, sunt relativ abundente în spațiu. Aceste molecule lipsesc sau au electroni neperecheți. Pe Pământ, ei nu persistă mult timp, deoarece reacționează rapid cu orice altă problemă pe care o întâlnesc. Dar, pentru că spațiul este atât de gol, ionii și radicalii pot trăi zeci de mii de ani înainte de a intra în nimic.
Acum, ne îndreptăm spre identificarea moleculelor prezente chiar în inima regiunilor în care se formează stele și planete noi, chiar în acest moment. Trecem în trecut prin detectarea ionilor și radicalilor izolați către molecule mai saturate. Acestea includ molecule organice [care conțin carbon] sub cele mai simple forme, precum metanolul. Din acel bloc de bază al metanolului, puteți acumula molecule precum glicolaldehidă, care este un zahăr și etilen glicol. Ambele sunt molecule „prebiotice”, ceea ce înseamnă că sunt necesare pentru formarea eventuală a moleculelor vieții.
În cazul în care câmpul astrochimiei se mișcă, este departe de a lua un inventar de molecule și de a încerca să înțeleagă cum sunt formate aceste molecule diferite. Încercăm, de asemenea, să înțelegem de ce am putea găsi cantități mai mari de anumite molecule în anumite regiuni cosmice față de alte tipuri de molecule.
TKF: Ceea ce tocmai ai spus mă face să mă gândesc la o analogie: Astrochimia înseamnă mai puțin despre găsirea de noi molecule în spațiu - un fel de zoologi care caută animale noi în junglă. Câmpul este acum mai mult despre „ecologia” modului în care interacționează acele animale moleculare și de ce există atât de multe tipuri aici în spațiu, dar atât de puține acolo, etc.
EVD: Aceasta este o analogie bună! Pe măsură ce înțelegem fizica și chimia modului în care se formează stelele și planetele, o parte semnificativă este de a vedea de ce unele molecule sunt abundente în anumite regiuni interstelare, dar sunt „dispărute”, la fel cum ar putea fi animalele, în alte regiuni.
Dacă îți continuăm metafora, există într-adevăr multe interacțiuni interesante între molecule care pot fi asemănate cu ecologia animalelor. De exemplu, temperatura este un factor de control al comportamentului și interacțiunilor moleculelor în spațiu, care, de asemenea, afectează activitatea animalelor și unde trăiesc, etc.
TKF: Revenind la ideea blocurilor de construcții, cum funcționează exact procesul de construire în astrochimie?
EVD: Un concept important în construirea moleculelor în spațiu este cel pe care îl cunoaștem din viața de zi cu zi aici pe Pământ, numite tranziții de fază. Atunci se topeste un solid într-un lichid sau un lichid se evaporă în gaz și așa mai departe.
Acum în spațiu, fiecare moleculă are propria sa „linie de zăpadă”, care este diviziunea dintre o fază de gaz și o fază solidă. Așadar, de exemplu, apa are o linie de zăpadă, unde trece de la gazul de apă la gheața de apă. Ar trebui să subliniez că nu pot exista forme lichide de elemente și molecule în spațiu, deoarece există o presiune prea mică; apa poate fi lichidă pe Pământ din cauza presiunii din atmosfera planetei.
Înapoi la liniile de zăpadă, descoperim acum că acestea joacă un rol foarte important în formarea planetei, controlând foarte mult chimia. Unul dintre cele mai importante blocuri de construcție Lego, ca să spunem așa, pe care le-am găsit este monoxidul de carbon. Suntem familiarizați cu monoxidul de carbon de pe Pământ, deoarece este produs în combustie, de exemplu. Colegii mei și cu mine am demonstrat în laboratorul de la Leiden că monoxidul de carbon este punctul de plecare pentru a face mai multe organice complexe în spațiu. Înghețarea monoxidului de carbon dintr-un gaz într-o fază solidă este un prim pas crucial pentru a adăuga apoi blocuri de hidrogen Lego. Făcând acest lucru, vă permite să continuați să construiți molecule mai mari și mai mari precum formaldehida [CH2O], apoi metanol, treceți la glicolaldehidă așa cum am discutat sau puteți merge chiar și la molecule mai complexe precum glicerolul [C3H8O3].
Acesta este doar un exemplu, dar vă oferă o idee despre modul în care un proces de construire se joacă în astrochimie.
TKF: Tocmai ai menționat laboratorul tău la Observatorul Leiden, Sackler Laborator pentru Astrofizică, care am înțeles are o distincție ca primul laborator de astrofizică. Cum a ajuns să fie și ce ai obținut acolo?
EVD: Asta e corect. Mayo Greenberg, un astrochimist de pionierat, a început laboratorul în anii '70 și a fost cu adevărat primul de acest fel pentru astrofizica din lume. S-a retras și apoi am continuat laboratorul. În cele din urmă am devenit director al acestui laborator la începutul anilor 1990 și am rămas așa până în jurul anului 2004, când un coleg și-a asumat conducerea. Mai colaborez și conduc experimente acolo.
Ceea ce am reușit să obținem în laborator sunt condițiile extreme ale spațiului: frigul și radiațiile sale. Putem reproduce temperaturile în spațiu până la 10 kelvin [minus 442 grade Fahrenheit; minus 260 de grade Celsius], care este doar un pic minus peste zero absolut. De asemenea, putem recrea radiațiile ultraviolete intense în lumina stelelor la care moleculele sunt supuse în regiunile de formare a stelelor noi. [Star Quiz: Testează-ți Smart Stellar]
Însă unde nu reușim, este să reproducem golul spațiului, vidul. Considerăm un vid ultra-ridicat în laborator pentru a fi de ordinul a 108 la 1010 [o sută de milioane până la zece miliarde de particule] pe centimetru cub. Ceea ce astronomii numesc un nor dens, unde se întâmplă formarea stelelor și a planetei, are doar aproximativ 104sau aproximativ 10.000 de particule pe centimetru cub. Asta înseamnă că un nor dens în spațiu este încă de un milion de ori mai gol decât cel mai bun pe care îl putem face în laborator!
Dar acest lucru funcționează în cele din urmă în avantajul nostru. În vidul extrem de spațiu, chimia pe care suntem interesați să o înțelegem se mișcă foarte, foarte lent. Asta pur și simplu nu se va întâmpla în laborator, unde nu putem aștepta 10.000 sau 100.000 de ani pentru ca moleculele să se împiedice între ele și să interacționeze. În schimb, trebuie să fim capabili să facem reacția într-o zi pentru a învăța orice pe scările de timp ale unei cariere de știință umană. Așadar, grăbim totul și putem traduce ceea ce vedem în laborator la scările de timp mult mai lungi în spațiu.
TKF: Pe lângă munca de laborator, de-a lungul carierei, ați folosit o serie de telescoape pentru a studia moleculele în spațiu. Ce instrumente au fost esențiale pentru cercetarea dvs. și de ce?
EVD: Noile instrumente au fost cruciale pe parcursul întregii mele cariere. Astronomia este condusă cu adevărat de observații. A avea telescoape tot mai puternice în noi lungimi de undă a luminii este ca și cum ai privi universul cu ochi diferiți.
Pentru a vă oferi un exemplu, la sfârșitul anilor 1980, am revenit în Olanda, când țara a fost implicată puternic în Observatorul spațial infraroșu, sau ISO, misiune condusă de Agenția Spațială Europeană [ESA]. M-am simțit foarte norocoasă că altcineva a depus eforturi grele timp de 20 de ani pentru a transforma acel telescop într-o realitate și aș putea să-l folosesc fericit! ISO a fost foarte important pentru că a deschis spectrul infraroșu unde am putut vedea toate aceste semnături spectrale, cum ar fi amprentele chimice, ale iczurilor inclusiv a apei, care joacă roluri majore în formarea stelelor și a planetei și în cazul apei, este, desigur, critică pentru viață. A fost o perioadă minunată.
Următoarea misiune foarte importantă a fost Observatorul spațial Herschel, la care m-am implicat personal ca student absolvent în 1982. Din partea chimiei, era clar că Herschel a fost o misiune primordială pentru moleculele interstelare și, în special, pentru a „urma poteca de apă ". Dar mai întâi, a trebuit să aducem cazul științei la ESA. Am mers în SUA de câțiva ani și am ajuns în discuții similare acolo, unde am ajutat să fac cazul științei pentru Herschel către agențiile de finanțare din SUA. Totul a fost o apăsare mare până când misiunea a fost aprobată definitiv la sfârșitul anilor '90. Apoi a fost nevoie de 10 ani pentru a construi și lansa, dar am obținut în sfârșit primele noastre date la sfârșitul anului 2009. Deci, din 1982 până în 2009 - asta a fost o durată lungă! [Fotografii: Uimitoarele imagini infraroșii ale Observatorului Spațial Herschel]
TKF: Când și unde au luat rădăcină iubirile pentru spațiu și chimie?
EVD: Iubirea mea principală a fost întotdeauna pentru molecule. Asta a început în liceu cu un profesor de chimie foarte bun. Depinde mult de profesorii cu adevărat buni și nu cred că oamenii își dau întotdeauna seama cât de important este acest lucru. Mi-am dat seama doar când am ajuns la facultate că fizica era la fel de distractivă ca și chimia.
TKF: Ce cale academică ați luat pentru a deveni în cele din urmă astrochimist?
EVD: La Universitatea Leiden, am făcut masterul meu în chimie și eram convins că vreau să continui cu chimia cuantică teoretică. Dar profesorul din acel domeniu de la Leiden murise. Așa că am început să privesc în jur alte opțiuni. Chiar nu știam prea multe despre astronomie pe atunci. Tim, prietenul meu de atunci și actualul soț, Tim, care tocmai auzise un set de prelegeri pe mediul interstelar, iar Tim mi-a spus: „Știți, există și molecule în spațiu!”. [Râsete]
Am început să cercetez posibilitatea de a face o teză despre molecule în spațiu. M-am dus de la un profesor la altul. Un coleg din Amsterdam mi-a spus că pentru a intra într-adevăr în domeniul astrochimiei, a trebuit să merg la Harvard să lucrez cu profesorul Alexander Dalgarno. Așa cum s-a întâmplat, în vara lui 1979, Tim și cu mine călătoream în Canada pentru a participa la Adunarea Generală a Uniunii Astronomice Internaționale din Montreal. Am aflat că au avut loc întâlniri prin satelit înaintea Adunării Generale, iar una dintre ele se întâmpla de fapt în acest parc specific în care tabeream cu mine și Tim. Ideea pe care am avut-o a fost: „Ei bine, poate ar trebui să profităm de această ocazie și să mergem să-l vedem deja pe acest profesor Dalgarno!”
Desigur, aveam toate aceste îmbrăcăminte de camping și îmbrăcăminte, dar aveam o fustă curată pe care le-am pus. Tim m-a condus la întâlnirea din satelit, l-am găsit pe colegul meu din Amsterdam și mi-a spus: „O, bine, vă voi prezenta profesorului Dalgarno”. Profesorul m-a luat afară, am vorbit timp de cinci minute, m-a întrebat ce am făcut, care este abilitatea mea de astrochimie și apoi mi-a spus: „Sună interesant; de ce nu vii și lucrezi pentru mine?” Acesta a fost, evident, un moment esențial.
Așa a început totul. Nu am regretat niciodată un moment de atunci.
TKF: Au existat alte momente pivotante, poate devreme în copilărie, care te-au pus pe calea de a fi om de știință?
EVD: Defapt da. Aveam aproximativ 13 ani și tatăl meu tocmai aranjase un sabbatic în San Diego, California. Mi-am luat concediu de la liceul meu în Olanda, unde am primit în mare parte lecții de limbă latină și greacă și, bineînțeles, de matematică. Dar nu aveam încă nimic în ceea ce privește chimia sau fizica și biologia nu a început decât cel puțin un an sau doi ani mai târziu.
La liceul de juniori din San Diego, am decis să studiez subiecte foarte diferite. Am luat spaniolă, de exemplu. Există și posibilitatea de a face știință. Am avut o profesoară foarte bună, care era o femeie afro-americană, ceea ce la acea vreme, în 1968, era destul de neobișnuit. A fost doar foarte inspirată. A avut experimente, a avut întrebări și a reușit cu adevărat să mă atragă în știință.
TKF: Așteptând cu nerăbdare promisiunea Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), care s-a deschis acum câțiva ani și este printre cele mai ambițioase și costisitoare proiecte de astronomie bazate pe teren vreodată. Astrofizicianul Reinhard Genzel vă creditează prin faptul că ați contribuit la crearea consensului internațional din spatele acestui observator. Cum ați făcut cazul pentru ALMA?
EVD: ALMA a avut un succes uimitor ca observator de premieră în această gamă specială de lumină milimetrică și submillimetrică, care este o fereastră importantă pentru observarea moleculelor în spațiu. Astăzi, ALMA constă din 66 de telescoape radio cu configurații de 7 și 12 metri care se întind pe o câmpie de mare altitudine din Chile. A fost un drum foarte lung pentru a ajunge până unde suntem acum!
ALMA este rezultatul viselor multor mii de oameni. Am fost unul dintre cei doi membri din partea europeană a Comitetului consultativ științific al SUA pentru ALMA. Știam bine comunitatea științifică din America de Nord din cei șase ani care lucrau în Statele Unite. Cele două părți, precum și Japonia, aveau concepte foarte diferite pentru ALMA. Europenii se gândeau la un telescop care ar putea fi folosit pentru o chimie profundă, foarte timpurie, în timp ce nord-americanii se gândeau mult mai mult la imagini de mare rezoluție și de înaltă rezoluție; un grup vorbea despre construirea de telescoape de opt metri, celălalt despre telescoape de 15 metri. [Întâlnește ALMA: Fotografii uimitoare de la telescopul radio gigant]
Așadar, am fost unul dintre oamenii care au ajutat la reunirea celor două argumente. Am spus: „Dacă construiți o serie mult mai mare, de fapt câștigăm cu toții”. Planul a devenit să adune un număr mai mare de telescoape într-un singur tablou, mai degrabă decât tablele separate, care nu sunt la fel de puternice. Și asta s-a întâmplat. Am stabilit tonul de a lucra împreună la acest proiect fantastic decât să fim concurenți.
TKF: Ce noi frontiere se deschide ALMA în astrochimie?
EVD: Marele salt pe care îl facem cu ALMA este în rezoluție spațială. Imaginează-ți că privești un oraș de sus. Primele imagini Google Earth au fost foarte sărace - cu greu puteți vedea nimic; un oraș a fost un blob mare. De atunci, imaginile au devenit din ce în ce mai clare, pe măsură ce rezoluția spațială s-a îmbunătățit odată cu camerele de pe sateliții aflați la bord. În zilele noastre puteți vedea canalele [în orașele olandeze], străzile, chiar și case individuale. Puteți vedea cu adevărat modul în care întregul oraș este reunit.
Același lucru se întâmplă și acum cu locurile de naștere ale planetelor, care sunt aceste mici discuri din jurul stelelor tinere. Aceste discuri sunt de sute până la o mie de ori mai mici decât norii pe care i-am privit anterior unde se nasc stelele. Cu ALMA, facem zoom pe regiunile în care se formează stele și planete noi. Acestea sunt într-adevăr cântarele relevante pentru a înțelege modul în care aceste procese funcționează. Și ALMA, în mod unic, are capacitățile spectroscopice de a detecta și studia o gamă foarte largă de molecule implicate în acele procese. ALMA este un pas fantastic înainte de orice am avut până acum.
TKF: Noile telescoape pe care le-ați folosit pe parcursul carierei s-au dovedit extraordinare. În același timp, suntem în continuare limitați la ceea ce putem vedea în cosmos. Când te gândești la generațiile viitoare de telescoape, ce speri cel mai mult să vezi?
EVD: Următorul pas în cercetarea noastră este Telescopul spațial James Webb [JWST], lansat în 2021. Cu JWST, aștept cu nerăbdare să văd molecule organice și apă pe scări și mai mici și în diferite părți ale planetei. formând zone, decât este posibil cu ALMA.
Însă ALMA va fi esențială pentru cercetările noastre pentru o lungă perioadă de timp - 30 până la 50 de ani. Mai avem atât de multe de descoperit cu ALMA. Cu toate acestea, ALMA nu ne poate ajuta să studiem partea interioară a unui disc care formează planeta, la scara unde s-a format Pământul nostru, la o distanță scurtă de soare. Gazul de pe disc este mult mai cald acolo, iar lumina infraroșu pe care o emite poate fi capturată de un instrument pe care colegii mei și cu mine l-am ajutat să îl implementăm pentru JWST.
JWST este misiunea finală la care am lucrat. Din nou, din întâmplare, m-am implicat, dar am fost într-o poziție bună cu partenerii și colegii mei americani pentru a ajuta. Câțiva dintre noi din părțile europene și din SUA s-au reunit și ne-au spus: „Hei, vrem să facem acest instrument și putem face acest lucru într-un parteneriat 50/50”.
TKF: Având în vedere munca dumneavoastră asupra blocurilor care formează stele și planete, cosmosul pare amenajabil sau chiar favorabil vieții?
EVD: Spun întotdeauna că asigur elementele de construcție, iar apoi depinde de biologie și chimie să spun restul poveștii! [Râsete] În cele din urmă, contează despre ce fel de viață vorbim. Vorbim doar despre viața cea mai primitivă și unicelulară pe care o știm a apărut rapid pe Pământ? Având în vedere toate ingredientele pe care le avem disponibile, nu există niciun motiv pentru care acest lucru nu ar putea apărea pe niciunul dintre miliardele de exoplanete despre care știm acum că orbitează miliarde de alte stele.
Trecând la următorii pași ai vieții multicelulare și în cele din urmă inteligente, înțelegem foarte puțin totuși cum rezultă asta dintr-o viață mai simplă. Dar cred că este sigur să spunem, având în vedere nivelul de complexitate, este mai puțin probabil ca asta să apară la fel de des ca, să zicem, microbii. [10 exoplanete care ar putea găzdui viața extraterestră]
TKF: Cum ne va ajuta domeniul astrochimiei să răspundem la întrebarea dacă există viață extraterestră în univers?
EVD: Studierea chimiei atmosferelor exoplanetice este ceea ce ne va ajuta să răspundem la această întrebare. Vom găsi multe exoplanete potențial asemănătoare Pământului. Următorul pas va fi să cauți amprente spectrale, despre care am menționat mai devreme, în atmosfera planetelor. În acele amprente, vom căuta în mod special „biomolecule” sau combinații de molecule care ar putea indica prezența unei forme de viață. Asta înseamnă nu doar apă, ci oxigen, ozon, metan și multe altele.
Telescoapele noastre actuale abia pot detecta acele amprente în atmosfera exoplanetelor. Acesta este motivul pentru care construim următoarea generație de telescoape gigantice la sol, cum ar fi Telescopul extrem de mare, care va avea o oglindă care este de aproximativ trei ori mai mare decât în zilele noastre. Sunt implicat în realizarea cazului științific pentru asta și alte instrumente noi, iar biosemnăturile sunt într-adevăr unul dintre obiectivele de vârf. Aceasta este direcția emoționantă în care va merge astrochimia.
