Tag: astrofizyka

Niezwykłe odkrycie w rozbłysku gamma

Mirosław Dworniczak2 komentarze

25 października 2023 roku NASA ogłosiła, że odkryto tellur. No dobrze, nie tyle odkryto (bo odkryty został na Ziemi już w XVIII w.), co zidentyfikowano podczas badań kosmicznych. I to odkrycie ma naprawdę duże znaczenie.

Skąd się wzięły pierwiastki chemiczne

Ale zacznijmy od tego, dlaczego ta informacja jest bardzo istotna. Musimy się cofnąć o niemal 14 mld lat, do czasu, w którym dopiero zaczęły powstawać pierwiastki chemiczne. Na samym początku powstało jądro wodoru, najprostszego z pierwiastków, składające się z jednej cząstki, protonu. Kolejnym był hel (2 protony + 2 neutrony). W kolejnym etapie tzw. pierwotnej nukleosyntezy (tworzenia jąder atomowych) powstawały następne jądra – deuteru i litu. Następnie mamy reakcje „spalania” wodoru – oczywiście nie jest to spalanie takie, jakie znamy z reakcji wodoru z tlenem (tlenu przecież jeszcze nie ma!). Powstają wtedy jądra takich pierwiastków, jak węgiel, azot, tlen itd. – aż do żelaza (Fe). I tu kończy się to, co produkują zwykłe gwiazdy. Nie są w stanie wyprodukować żadnego cięższego atomu. No dobrze, ale przecież wiemy, że na Ziemi (i w kosmosie) mamy sporo pierwiastków cięższych niż żelazo. Skąd one się wzięły?

W skrócie: gwiazda, która się wypaliła zaczyna zapadać się grawitacyjnie pod własnym ciężarem. W jej centrum jest sporo żelaza, dalej są lżejsze pierwiastki, takie jak krzem (Si), tlen (O), neon (Ne), aż do wodoru. Ciśnienie wewnątrz rośnie do niewyobrażalnych wartości i w końcu ten kosmiczny tygiel eksploduje. Jest to niesamowite zjawisko, które znamy jako supernową. Obserwujemy gwałtowny wzrost jasności gwiazdy, po czym ona szybko gaśnie – przestaje być widoczna, ale pozostaje po niej efektowna mgławica. Ciśnienie przed eksplozją powoduje wydzielenie się neutronów, które łączą się z jądrami żelaza, dając początek cięższym pierwiastkom. Nazywamy go „procesem r” (rapid – szybki), ponieważ biorą w nim udział szybkie neutrony. Po ich pochłonięciu następuje szereg emisji elektronów, co przesuwa powstające jądro w prawo w układzie okresowym. Kilka zdań o tym procesie napisał Lucas

No i to w zasadzie wszystko – ugotowane w kosmicznym tyglu pierwiastki rozprzestrzeniają się w kosmosie, docierając czasem bardzo daleko. Teoria tych przemian została rozpracowana kilkadziesiąt lat temu przez kilku znaczących astrofizyków. Powtarzam: to była teoria, a, jak wiemy, papier wszystko wytrzyma. A dowody eksperymentalne? No właśnie – z tym był problem. Nie bardzo się da w laboratorium ziemskim stworzyć gwiazdę, spowodować jej przekształcenie w supernową i zrobić analizę tego, co się wydzieli. Do supernowej też nie polecimy, bo jest za daleko. Ale już wiele lat temu panowie Kirchhoff i Bunsen wpadli na pomysł, jak można zdalnie analizować światło emitowane przez obiekty kosmiczne. Pisałem o tym tutaj. Niemieccy fizycy oczywiście obserwowali światło widzialne, ponieważ w owym czasie nie zdawano sobie jeszcze sprawy z tego, że jesteśmy cały czas bombardowani promieniowaniem elektromagnetycznym o znacznie szerszym zakresie fal. Dziś już całkiem dobrze potrafimy je wykrywać i analizować. Od jakiegoś czasu astrofizyka coraz częściej sięga do obserwacji promieniowania gamma. Jest to silne promieniowanie elektromagnetyczne, niosące olbrzymią energię. Astronomowie zajmujący się tym promieniowaniem wyodrębnili osobną dziedzinę nauki, astronomię promieniowania gamma. Niestety, obserwacji nie da się prowadzić z powierzchni Ziemi, ponieważ atmosfera skutecznie je pochłania. Na szczęcie można wykorzystać do tego celu balony oraz rozmaite obserwatoria kosmiczne.

Rozbłyski gamma

W 1967 roku amerykański satelita wojskowy zarejestrował błysk promieniowania gamma. Wczesne analizy zakładały, że był on efektem próby jądrowej na terytorium ZSRR. Kolejne badania pokazały jednak, że nie pochodzą one ze źródeł ziemskich ani też z Układu Słonecznego. Kluczem tu jest izotropowość tych rozbłysków, czyli to, że dochodzą one do Ziemi dokładnie z wszystkich kierunków przestrzeni kosmicznej, jak promieniowanie reliktowe. Gdyby natomiast GRB pochodziły z bliska, tzn. z wyłącznie z Układu Słonecznego, rejestrowano by ich więcej w płaszczyźnie układu/dysku

Dziś rozbłyski gamma są wykrywane przez wiele teleskopów, głównie tych, które znajdują się w kosmosie. Są to gigantyczne wyrzuty wysokoenergetycznego promieniowania, a więc muszą pochodzić z bardzo wielkich zdarzeń kosmicznych. Zwykle jest to albo zderzenie gwiazd neutronowych albo takiej gwiazdy z czarną dziurą. Rozróżniamy rozbłyski krótkie (do 2 s), długie (powyżej 2 s) oraz bardzo długie (powyżej 10 tys. s). Najczęściej rejestrowane są rozbłyski długie.

Do gry wchodzi teleskop Jamesa Webba

Pod koniec października NASA opublikowała informację, że zespół kilku teleskopów, w tym James Webb Telescope oraz Fermi Gamma Ray Telescope, w marcu 2023 r. zarejestrował bardzo silny rozbłysk gamma, który oznaczono jako GRB 230307A.

Obraz rozbłysku GRB 230307A – to jest ta mała czerwona kropka po lewej. Z prawej galaktyka, z której “urwały się” gwiazdy

Dokładna analiza pokazała, że rozbłysk pochodził ze zderzenia dwóch gwiazd neutronowych odległych od Ziemi o ok. 1 mld lat świetlnych. Jak do tego doszło? Dawno, dawno temu w odległej galaktyce (tak, wiem, skąd ten cytat) para gwiazd się zbuntowała i odleciała. Gdy znalazły się w odległości ok. 120 tys. lat świetlnych od macierzystej galaktyki, nastąpiło między nimi gwałtowne zderzenie. Spowodowało ono emisję promieniowania gamma milion razy silniejszą niż całe światło Drogi Mlecznej. Zjawisko to znane jest pod nazwą „kilonowa”, ponieważ wydzielona energia odpowiada mocy tysiąca zwykłych nowych. Pierwsze teoretyczne modele tego zjawiska opracował polski astronom, Bohdan Paczyński (dalej będzie trochę o nim).

Po +/- miliardzie lat promieniowanie to dotarło do Ziemi i zostało zarejestrowane. Cała obserwacja trwała ok. 200 s. Uzyskano wiele bardzo interesujących danych, z których za najważniejszą uznano potwierdzenie obecności w pozostałościach po gigantycznym wybuchu śladów telluru, pierwiastka znacznie cięższego niż żelazo. Jest to dość rzadki pierwiastek, w układzie okresowym znajdziemy go w grupie tlenowców, pomiędzy selenem i polonem.

Widmo emisyjne kilonowej – schodkowe dane są z teleskopu Webb, czerwona linia to model widma emisyjnego. Powierzchnia pod krzywą (czerwona) wskazuje na obecność telluru.

Źródło: NASA, licencja:  domena publiczna, NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Powstał on najprawdopodobniej w procesie r, który opisałem powyżej. To, że uzyskano takie właśnie dane, zawdzięczamy właśnie teleskopowi Webba. Część danych wskazuje, że są tam też obecne cięższe pierwiastki – lantanowce i aktynowce, ale to jeszcze wymaga solidnego potwierdzenia. Badacze uważają, że analizy kolejnych rozbłysków gamma pozwolą na wykrycie kolejnych ciężkich pierwiastków, co przyczyni się do doświadczalnego potwierdzenia, że właśnie proces r odpowiada za nukleosyntezę jąder cięższych od żelaza.

Swoistą ciekawostką jest to, że wykryto właśnie tellur, pierwiastek, którego nazwa pochodzi od łacińskiego „tellus”, co oznacza ziemię. W skorupie ziemskiej jest go zaledwie 5 ppb (części na miliard) i oczywiście każdy z atomów powstał gdzieś daleko podczas eksplozji lub zderzeń gwiazd.

Myślę, że niebawem dostaniemy wiele więcej informacji, nie tylko z tego rozbłysku, ale też z innych, które są obecnie analizowane.

Bohdan Paczyński (1940-2007)

źródło: wikimedia, licencja: CC BY SA 3.0

Jeśli spytalibyśmy ludzi o wybitnych polskich astronomów, zapewne padłoby nazwisko Kopernika. Ktoś pewnie wspomniałby jeszcze Aleksandra Wolszczana, pierwszego odkrywcę egzoplanety. I tyle. Tymczasem Bohdan Paczyński wielokrotnie był wymieniany jako kandydat do Nobla. Niesamowicie błyskotliwy pierwszy artykuł naukowy opublikował w wieku 18 lat, doktorat obronił w wieku 24, a tytuł profesorski otrzymał w wieku lat 34. Gdy miał 36 lat, został najmłodszym członkiem PAN. Zajmował się wieloma zagadnieniami, w tym właśnie rozbłyskami gamma. Od 1981 roku pracował w Princeton. Jego hipoteza o tym, że rozbłyski gamma pochodzą spoza naszej galaktyki, była przez lata ignorowana, dopiero po jakimś czasie zaczęła zyskiwać popularność. Dziś wiemy, że miał w 100% rację. Szkoda, że nie dane mu było dożyć odkryć z ostatnich lat. Zmarł w 2007 roku, po kilkuletniej walce z glejakiem mózgu.

Literatura dodatkowa

Doniesienie NASA o odkryciach

Bardzo długie rozbłyski gamma

O powstawaniu ciężkich pierwiastków chemicznych

Ciemna materia, czyli królowa jest naga

Wiesław Seweryn3 komentarze

Niewiele wiemy o ciemnej materii, właściwie tylko tyle, że musi istnieć, aby podstawowe prawa fizyki działały tak, jak powinny.

Wiadomo, że każda masa wytwarza pole grawitacyjne oddziałujące na wszystkie inne masy we Wszechświecie, także galaktyki i gromady galaktyk. I właśnie zaobserwowane anomalie ruchu tych obiektów zaburzyły spokojny sen fizyków. Okazało się, że oszacowana (dość dokładnie) masa galaktyki podstawiona do równań ruchu, przy zmierzonej prędkości obrotowej, jest dalece niewystarczająca, aby utrzymać jej spójność. Ruch obrotowy powinien rozproszyć gwiazdy na wszystkie strony, ponieważ siła grawitacji przeciwstawna sile odśrodkowej jest niewystarczająca. Dalece niewystarczająca. Tak dalece, że równania ruchu stabilizowałyby galaktykę dopiero przy kilkukrotnym zwiększeniu jej masy. Problem w tym, że tajemnicza substancja jest całkowicie niewykrywalna przez jakiekolwiek detektory.

Materia, którą znamy, jest tak zwaną materią barionową, czyli składa się z protonów, neutronów i elektronów. Drogą dedukcji wnioskujemy więc, że ciemna materia jest materią niebarionową. Ale czym konkretnie? Istnieje wiele hipotez, jedną z nich są WIMPS (ang. Weakly Interacting Massive Particles), czyli słabo oddziałujące masywne cząstki o masie 10-100 razy większej od masy protonu i reagujące z „normalną” materią tylko za pośrednictwem oddziaływań słabych i grawitacyjnych. Na przykład hipotetyczne neutralino, o wiele cięższe od neutrina i podobnie słabo wykrywalne. Problem w tym, że neutralino nie zostało jeszcze odkryte, ba, nie przewiduje go żadna teoria. Drugim kandydatem jest sterylne neutrino, czwarty, hipotetyczny rodzaj neutrina (znamy trzy rodzaje mające pokrycie w Modelu Standardowym: neutrino elektronowe, mionowe i taonowe). Zarówno neutralino jak i neutrino oddziałuje z materią tylko przez grawitację, a z tą mamy podstawowy problem – Model Standardowy nie ujmuje grawitacji jako oddziaływania. Pozostali kandydaci na budulec ciemnej materii to aksjon i “ciemny” foton (też cząstki hipotetyczne). Antymaterię, jako byt skrajnie reaktywny i agresywny wobec materii klasycznej, możemy już na starcie odrzucić.

Desperacja naukowców w poszukiwaniu ciemnej materii osiągnęła taki poziom, że bierze się nawet pod uwagę, iż prawo powszechnego ciążenia Newtona, a nawet ogólna teoria względności nie obowiązują w skali galaktycznej. Są nawet konkretne propozycje zmodyfikowania dynamiki Newtona lub OTW, aby pasowały do obserwacji. Jedno, co wiemy o ciemnej materii, to to, że ma masę, ponieważ wytwarza pole grawitacyjne. Drugie, że porusza się znacznie wolniej od światła.

Trochę historii

Autorem koncepcji ciemnej materii jest Fritz Zwicky, który odkrył anomalie w ruchu galaktyk w obrębie gromady galaktyk. Galaktyki poruszały się zbyt szybko jak na masę, którą posiadały, a gromada się nie rozpadała. Aby wytłumaczyć tę nienormalność, zaproponował istnienie „ciemnej materii”, której oddziaływanie grawitacyjne miało dostosować obserwacje do równań ruchu. Zwicky był uznanym, wielce kreatywnym w swoich pomysłach astronomem. Dość powiedzieć, że jest odkrywcą 120 supernowych, wymyślił i upowszechnił nazwę „supernowa”, pierwszy odkrył gwiazdę neutronową i opisał zjawisko soczewkowania grawitacyjnego.

Istnienie i oddziaływanie ciemnej materii w obrębie jednej galaktyki odkryła Vera Cooper Rubin, amerykańska astronom(-ka). Pod koniec lat osiemdziesiątych XX. wieku obserwując ruch wirowy Galaktyki Andromedy zauważyła, że materia galaktyki bardziej odległa od centrum porusza się równie szybko jak obiekty leżące bliżej środka. Jedynym wytłumaczeniem było istnienie nieznanej i niewidocznej ciemnej materii na jej obrzeżach. Odkrycie Rubin zasługiwało na Nobla, niestety, była kobietą i Nobla nie dostała. Decyzje Komitetu Noblowskiego bywały w przeszłości dość kontrowersyjne. Także Mirosław Dworniczak pisał o pomyłkach Komitetu Noblowskiego. Zachęcam też do lektury tekstów o kobietach w nauce: część 1, część 2, część 3.
O wadze odkrycia Very Rubin i nienagrodzeniu jej Noblem wypowiedziała się amerykańska astronom(-ka) Emily Levesque:
„Istnienie ciemnej materii całkowicie zrewolucjonizowało naszą koncepcję wszechświata […]; ciągłe wysiłki mające na celu zrozumienie roli ciemnej materii doprowadziły do powstania całych dziedzin nauki w astrofizyce i fizyce cząstek elementarnych. W testamencie Alfreda Nobla nagroda z fizyki jest uznawana za „najważniejsze odkrycie”. Jeśli ciemna materia nie pasuje do tego opisu, to nie wiem, co będzie.”

Ryc. 1 Vera Rubin. Źródło: [4]

Poszukiwania

Trwają (na razie bezskuteczne).

Pomysł 1. Skoro cząstki ciemnej materii są wielokrotnie cięższe od protonu, to w zderzeniu ze zwykłą materią powinny zostawiać ślad, na przykład wyżłobienie w skale. Dotychczas nie trafiono na żaden ślad tego typu.

Pomysł 2. (rokujący) Skupiska ciemnej materii powinny zaginać światło, czyli tworzyć soczewki grawitacyjne. I rzeczywiście, odnaleziono wiele miejsc, gdzie występuje mikrosoczewkowanie grawitacyjne pomimo braku skupisk materii. W 2016 roku zespół kierowany przez Van Dokkuma odkrył galaktykę zwaną Dragonfly 44, która wydaje się składać prawie wyłącznie z ciemnej materii. Z drugiej strony od 2018 roku astronomowie odkryli kilka galaktyk, które wydają się całkowicie pozbawione ciemnej materii.

Pomysł 3. Budowa bardziej czułych detektorów neutrin. Pod powierzchnią Antarktydy zbudowano wielki detektor neutrin Neutrino IceCube, którego zadaniem jest upolowanie sterylnego neutrino. Na razie bez powodzenia.

Ryc. 2 Schemat detektora IceCube. Licencja: Wikimedia Commons

Pomysł 4. Eksperymenty nakierowane na wykrycie cząstek ciemnej materii w najpotężniejszych zderzaczach cząstek. Badania tego typu są prowadzone w CERN-owskim Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Pomysł 5. Obserwacje w zakresie promieniowania gamma. Teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope należący do NASA stworzył gamma-mapę jądra Drogi Mlecznej. Potwierdził tym samym nadmiar promieniowania gamma w tym obszarze. Obserwacje te przeczą przewidywaniom naukowym, za to są zgodne z niektórymi modelami uwzględniającymi ciemną materię.

Pomysł 6. Kosmiczny teleskop Jamesa Webba, obserwujący Kosmos w zakresie promieniowania podczerwonego, a tym samym mogący zajrzeć głębiej „wgłąb czasu”, bliżej momentu Wielkiego Wybuchu, może przyjrzeć się wczesnej ewolucji galaktyk. Bo od anomalii ruchu galaktyk wszystko się zaczęło.

Pomysł 7. Misja Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej zaprojektowana specjalnie w celu poszukiwań ciemnej materii. Misja ma na celu dokładne zmapowanie materii Wszechświata, a w szczególności rozmieszczenie galaktyk.

Pomysł 8. Obserwacje mikrofalowego promieniowania tła. Sonda Planck spędziła w punkcie Lagrange’a kilka lat na dokładnym mapowaniu mikrofalowego promieniowania tła, które jest pozostałością po Wielkim Wybuchu. Wykryte niejednorodności dostarczyły pewnych wskazówek co do rozmieszczenia ciemnej materii we Wszechświecie.

Pomysł 9. Badanie promieni kosmicznych. Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej umieszczono spektrometr magnetyczny alfa (AMS), wykrywający antymaterię.
„Zarejestrowaliśmy nadmiar pozytonów i ten nadmiar może pochodzić z ciemnej materii” – powiedział Samuel Ting, laureat Nagrody Nobla z Massachusetts Institute of Technology. „Ale w tej chwili nadal potrzebujemy więcej danych, aby upewnić się, że pochodzi ona z ciemnej materii, a nie z jakichś dziwnych źródeł. To zajmie nam jeszcze kilka lat”.

Pomysł 10. Poszukiwania śladów zderzenia cząstek WIMP z atomami ksenonu. Eksperymenty takie przeprowadzono w Południowej Dakocie (projekt LUX) i we Włoszech (LNGS XENON1T). Jak dotychczas niczego nie wykryto.

Trochę liczb

Szacunki co do ilości i rozmieszczenia ciemnej materii we Wszechświecie pozwalają na pewne projekcje w stosunku do skali ziemskiej. Na podstawie ruchu ziemskich satelitów szacuje się, że masa Ziemi jest o około 0,005-0,006% większa niż dotychczas zakładaliśmy.

Według ostatnich szacunków Wszechświat w 68% składa się z ciemnej energii, 27% to ciemna materia, a pozostałe 5% to normalna materia (obserwowalna). Takie proporcje zmuszają więc do zastanowienia się, która materia jest „normalna”, a która „nienormalna”.

Ryc. 3 Rozmieszczenie galaktyk przypomina sieć z węzłami. Źródło: [1]

Jakie mamy teorie związane z ciemną materią?

Mamy wiele teorii, wszak wyobraźnia nasza jest nieograniczona, a ciemna energia i ciemna materia mogą służyć jako zapchajdziury wszędzie tam, gdzie klasyczne teorie są niewystarczające.

Teoria 1. Ciemna energia jest właściwością przestrzeni. Wiadomo przecież, że pusta (w sensie pustki absolutnej) przestrzeń nie istnieje. Jedna z wersji teorii grawitacji Einsteina, ta zawierająca stałą kosmologiczną, mówi, że „pusta przestrzeń” może posiadać własną energię. Ponieważ energia ta jest właściwością samej przestrzeni, nie ulega rozrzedzeniu w miarę jej rozszerzania się. W miarę jak pojawia się coraz więcej przestrzeni, pojawia się więcej tej energii przestrzeni. W rezultacie ta forma energii spowodowałaby coraz szybsze rozszerzanie się Wszechświata. Stała kosmologiczna, pomysł Einsteina na coraz szybszą ekspansję Wszechświata, przez kilkadziesiąt lat była krytykowana jako nie mająca podstaw teoretycznych. Dopiero w ostatnich latach wróciła do łask i może być pośmiertnym tryumfem Einsteina i jego wkładem w nowoczesną kosmologię.

Ryc. 4 Tempo ekspansji Wszechświata jest coraz szybsze; oczywiście za sprawą ciemnej energii.
Źródło: [3]

Teoria 2. Innym wyjaśnieniem ciemnej energii jest założenie, że jest to nowy rodzaj dynamicznego pola energii wypełniającego całą przestrzeń, którego wpływ na ekspansję wszechświata jest odwrotny do wpływu materii i normalnej energii. Niektórzy teoretycy nazwali to „kwintesencją”, czymś na kształt piątego elementu greckich filozofów.
Teoria 3. Teoria grawitacji Einsteina nie jest poprawna. Czy rozwiązaniem problemu ciemnej energii jest nowa teoria grawitacji?

Podsumowanie

Podsumowanie jest bardzo krótkie: wiemy, że nic nie wiemy, nie wiemy gdzie szukać, nie mamy oparcia w żadnej teorii, szukamy na oślep. Ciemna materia i ciemna energia są największą zagadką kosmologii. Wiemy tylko tyle, że jest coś na rzeczy.

Źródła:

  1. “Czym jest ciemna materia” https://www.space.com/20930-dark-matter.html
  2. “Ciemna materia jak na razie poza granicami naszego poznania” https://mlodytechnik.pl/technika/28680-ciemna-materia-jak-na-razie-poza-granicami-naszego-poznania
  3. “Ciemna energia, ciemna materia” https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy
  4. “Jak Vera Rubin potwierdziła istnienie ciemnej materii” https://www.astronomy.com/science/how-vera-rubin-confirmed-dark-matter/
  5. Wikipedia

Kosmiczne laboratorium chemiczne – część 2

Mirosław DworniczakLeave a comment

Część pierwszą znajdziecie tutaj.

Kosmiczna retorta

Wszechświat składa się z atomów, takich samych na Ziemi, a atomy lubią się ze sobą łączyć. Naturalnym pytaniem, które od dawna nurtowało uczonych, było: czy tam, w kosmosie, są takie same związki chemiczne? Z jednej strony właściwości chemiczne atomów są niezależne od tego, gdzie one się znajdują, ale z drugiej wiadomo było, że w kosmicznej retorcie możemy napotkać warunki inne niż w ziemskich laboratoriach. Wewnątrz gwiazd mamy ekstremalnie wysokie temperatury i ciśnienia, z kolei w przestrzeni międzygwiezdnej temperatura jest zbliżona do zera absolutnego, a do tego panuje tam próżnia, jakiej nie da się uzyskać na Ziemi. Dlatego też chemicy z dużym zaciekawieniem zaczęli współpracować z astronomami przy analizie danych otrzymywanych z przestrzeni kosmicznej.

Najpierw jednak badano meteoryty. Nie znaleziono w ich składzie żadnych egzotycznych pierwiastków, których nie ma na Ziemi (co jest dość oczywiste), ale już badania składu izotopowego wykazały, że często różni się on od ziemskiego. Także minerały w meteorytach mają w wielu wypadkach inny skład.

W ostatnich latach wykazano obecność w meteorytach związków organicznych pochodzenia pozaziemskiego, takich jak uracyl, cytozyna czy tymina. Skąd wiadomo, że są spoza Ziemi, a nie stanowią zanieczyszczeń stąd? Sprawa jest dość prosta – kosmiczne mają nieco inny skład izotopowy. Niektóre meteoryty z grupy chondrytów węglistych (np. australijski Murchison) zawierają niezwykle dużo takich związków – aminokwasów, zasad nukleinowych, węglowodorów alifatycznych i aromatycznych, kwasów sulfonowych oraz związków fosforu.

Australijski meteoryt Muchison (chondryt węglisty)
Źródło: Wikimedia, licencja: CC BY-SA 3.0

Z kolei w 2015 r. lądownik Philae zbadał powierzchnię komety 67/P i znalazł tam m.in. szesnaście związków organicznych.

Cały czas prowadzone są też badania zdalne. Jest to do pewnego stopnia praca detektywistyczna, polegająca na poszukiwaniu swoistych „odcisków palców”, czyli emitowanych przez konkretne molekuły fal elektromagnetycznych o konkretnym zestawie długości fali (zapoczątkowali to Bunsen i Kirchhoff). Jest to zadanie dość trudne. W pierwszym etapie poszukuje się sygnałów związków czy też rodników, które możemy wytworzyć tu, na Ziemi. Jednakże kosmiczny tygiel ze względu na specyficzne właściwości pozwala na powstanie niezwykłych połączeń, których tutaj nie ma albo też skrajnie trudno je wytworzyć.

Egzotyka chemiczna we Wszechświecie

Historycznie rzecz biorąc, pierwszym dwuatomowym indywiduum chemicznym, które zaobserwowano (już w roku 1937) w kosmosie był metylidyn (CH). Prawdopodobnie wszyscy znają najprostszy związek organiczny, metan, czyli CH4. Jeśli od tego związku oderwiemy trzy atomy wodoru, pozostanie właśnie dwuatomowy rodnik CH. Nie jest to typowa cząsteczka chemiczna, ale coś bardzo reaktywnego. Gdy próbujemy uzyskać metylidyn na Ziemi, musimy zadbać, aby w okolicy nie było niczego, z czym mógłby się związać. Jest to skrajnie trudne. Zupełnie inaczej jest w kosmosie. Choć my widzimy z daleka np. obłoki międzygwiezdne, musimy sobie zdawać sprawę, że panuje tam próżnia, jakiej nie damy rady wytworzyć na Ziemi. Dlatego też taki rodnik nie ma w pobliżu niczego, z czym mógłby w miarę szybko zareagować. I właśnie to pozwala mu istnieć bardzo długo. Dotyczy to oczywiście nie tylko metylidynu, ale wszystkich innych rodników oraz cząsteczek. Szacuje się, że średni czas pomiędzy zderzeniami cząsteczek w obłokach międzygwiezdnych to 2 tygodnie, w tym czasie muszą one przebyć nawet 100 tys. km.

Lista związków i rodników w przestrzeni kosmicznej rośnie. Dość szybko znaleziono takie rodniki jak CN (cyjan) oraz OH (rodnik hydroksylowy), a także dość reaktywny związek chemiczny – formaldehyd (HCHO), ale dotychczas wykryto ich już setki.

Co ciekawe, jedynym związkiem nieorganicznym o pięciu atomach jest analog metanu, krzemowodór SiH4. Większe są zawsze związkami węgla. Można więc powiedzieć, że kosmos jest po prostu organiczny.

Od początku XXI w. astrochemicy donoszą o coraz to nowych związkach identyfikowanych w rozmaitych miejscach. W 2004 stwierdzono, że mgławica protoplanetarna Czerwony Czworokąt w gwiazdozbiorze Jednorożca jest szczególnie bogata w wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), takie jak antracen i piren (uwaga: jeśli znajdziecie się tam, nie wdychać, bo rakotwórcze!).

Mgławica protoplanetarna Czerwony Czworokąt (gwiazdozbiór Jednorożca)
Źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

W ostatniej dekadzie WWA wykryto w wielu innych miejscach, w tym w atmosferze Tytana, największego księżyca Saturna.

Wyobraźnię ludzi rozpalają czasem doniesienia o znalezieniu gigantycznych obłoków etanolu. Jego ilości są niewyobrażalne, ale potencjalni miłośnicy wysokoprocentowych napojów muszą zdawać sobie sprawę, że znajduje się on co najmniej 10 tys. lat świetlnych od Ziemi. Co gorsza, nie jest czysty – razem z nim zaobserwowano takie związki jak tlenek węgla (czad), amoniak (NH3) czy też cyjanowodór (HCN). Znacznie częściej obserwuje się jednak obłoki metanolu, który jest prostszą cząsteczką. Z drugiej strony dużym zaskoczeniem było odkrycie w kosmosie fullerenów, czyli cząsteczek składających się z 60 lub 70 atomów węgla ułożonych w kształt wielościanów półforemnych.

Jak więc widać kosmiczne laboratorium chemiczne jest pełne odczynników. Są one co prawda znacznie rozproszone (nie licząc atmosfery planet i księżyców), ale mimo to astrochemicy uważają, że wszędzie przebiegają reakcje chemiczne, czasami niezwykle egzotyczne. Tu istotnym czynnikiem jest czas. Izolowany rodnik czy cząsteczka prędzej czy później spotka się z inną, z którą będzie mogła zareagować. Jeśli nie nastąpi to w ciągu roku, to może się to zdarzyć za milion czy też miliard lat. Wszechświat jest cierpliwy.

Po co to wszystko?

Takie pytanie pada często, gdy toczone są rozmowy o dość wyrafinowanych badaniach. Faktycznie można się zastanawiać nad tym, co nas obchodzi, że gdzieś tam, miliony lat świetlnych od nas, znajdują się jakieś cząsteczki tlenku węgla, benzenu czy też glicyny. I tak ich tu nie sprowadzimy, aby sprzedać z zyskiem. I tu wyjaśnienia są dwa. Po pierwsze, jest to ludzka ciekawość naukowa. Chemicy teoretycy, korzystając z dostępu do superkomputerów, modelują nie tylko te związki / rodniki, które możemy obserwować w ziemskich pracowniach, ale też bardzo egzotyczne, których tu nigdy nie otrzymamy. Tego typu obliczenia pozwalają na uzyskanie informacji o tym, w jakich zakresach promieniowania elektromagnetycznego poszukiwać ich śladów. Po drugie – badanie kosmicznego tygla może nam pomóc zrozumieć chemiczną ewolucję Wszechświata. Tam, daleko, może być odpowiedź na podstawowe pytania o to, skąd się wzięło życie. Jak widać, kosmos jest pełen związków organicznych – są one zaskakująco trwałe nawet w warunkach skrajnie niskiej temperatury i bombardowania promieniowaniem kosmicznym. Oczywiście z faktu obecności wielu nawet całkiem złożonych związków chemicznych nie wynika wprost to, że gdzieś tam jest jakieś życie. Wszyscy pamiętamy klasyczny dziś już eksperyment Stanleya Millera, w którym w warunkach laboratoryjnych udało się zasymulować pierwotne warunki panujące na Ziemi. Uzyskano sporo aminokwasów i innych prostych związków organicznych, ale od takiej organicznej zupy do powstania życia jest jednak zdecydowanie daleka droga. Mimo wszystko współczesne odkrycia pozwalają na nowo przyjrzeć się hipotezie panspermii. Prawdopodobnie jako pierwszy wspominał o niej grecki filozof Anaksagoras, ale tak naprawdę więcej o tym mówili tacy uczeni, jak Berzelius czy lord Kelvin. W XX w. bardziej złożoną hipotezę panspermii przedstawił Svante Arrhenius. Zgodnie z jego koncepcją życie miało być przenoszone w kosmosie z wykorzystaniem ciśnienia światła. Hipotezę tę popierali tacy znakomici uczeni, jak Fancis Crick czy Nalin Chandra Wickramasinghe.

Jedno jest pewne: dalsze badanie kosmosu przyniesie nam zapewne wiele odpowiedzi, ale zrodzi też równie dużo pytań – nie tylko z zakresu chemii czy fizyki, ale i wielu innych nauk.