Впечатление художника о космической обсерватории Гершеля с его наблюдениями за звездообразованием в туманности Розетка на заднем плане.
(Изображение: © C. Carreau / ESA)
Адам Хадхази, писатель и редактор The Kavli Foundation, написал эту статью для «Экспертных голосов» Space.com: Op-Ed & Insights.
Лауреат премии Кавли в 2018 году рассказывает о своем личном и профессиональном путешествии в области астрохимии, от случайных поездок в лагеря до формирования международного консенсуса по высокобюджетным обсерваториям.
НЕ ВСЕ ПРОСТРАНСТВО ТАКОЕ ТАКОЕ ЗАПРЕТНОЕ МЕСТО. Галактики переполнены пыльными облаками, содержащими богатые рагу молекул, от простого газообразного водорода до сложных органических веществ, критически важных для развития жизни. Понимание того, как все эти космические ингредиенты смешиваются при формировании звезд и планет, было жизненной работой Эвин ван Дисхок.
По образованию химик, ван Дизхок вскоре перевела взгляд на космос. Она стала пионером многих достижений в новой области астрохимии, используя новейшие телескопы для выявления и описания содержимого огромных звездоносных облаков. Параллельно ван Дисхек проводил лабораторные эксперименты и квантовые расчеты на Terra Firma чтобы понять распад космических молекул при свете звезды, а также условия, при которых новые молекулы складываются вместе, как кирпичи Lego. [8 загадочных астрономических тайн]
«За ее совместный вклад в обсервационную, теоретическую и лабораторную астрохимию, разъясняющий жизненный цикл межзвездных облаков и образование звезд и планет», Ван Дизхок получил премию Кавли в области астрофизики 2018 года. Она - только второй лауреат в любой области, который был отмечен как единственный получатель премии за всю свою историю.
Чтобы узнать больше о ее прорывной карьере в области астрохимии и о том, что будет дальше в этой области, Фонд Кавли побеседовал с ван Дисхек из ее офиса в Лейденской обсерватории в Лейденском университете в Нидерландах, незадолго до того, как она посетила барбекю для персонала. Ван Дизек - профессор молекулярной астрофизики и избранный президент Международного астрономического союза (МАС).
Ниже приводится отредактированная стенограмма обсуждения за круглым столом. Ван Дизек была предоставлена возможность изменить или отредактировать свои замечания.
ФОНД КАВЛИ: Что говорит нам астрохимия о себе и вселенной, в которой мы живем?
EWINE VAN DISHOECK: Общая история, рассказанная астрохимией, такова, каково наше происхождение? Откуда мы пришли, как мы были построены? Как образовались наша планета и Солнце? В конечном итоге это заставляет нас пытаться обнаружить основные строительные блоки для Солнца, Земли и нас. Это как Legos - мы хотим знать, какие детали были в здании Lego для нашей солнечной системы.
Самыми основными строительными блоками, конечно же, являются химические элементы, но то, как эти элементы объединяются для создания больших строительных блоков - молекул - в космосе, имеет решающее значение для понимания того, как все остальное стало.
TKF: Вы и другие исследователи уже определили более 200 таких молекулярных строительных блоков в космосе. Как развивалась сфера в течение вашей карьеры?
EVD: В 1970-х годах мы начали обнаруживать, что очень необычные молекулы, такие как ионы и радикалы, относительно распространены в космосе. Эти молекулы отсутствуют или имеют неспаренные электроны. На Земле они не сохраняются долго, потому что они быстро реагируют с любым другим вопросом, с которым они сталкиваются. Но поскольку пространство настолько пусто, ионы и радикалы могут прожить десятки тысяч лет, прежде чем столкнуться с чем-либо.
Теперь мы движемся к идентификации молекул, присутствующих в самом сердце областей, где формируются новые звезды и планеты, именно в этот самый момент. Мы проходим выделение изолированных ионов и радикалов в более насыщенные молекулы. К ним относятся органические [углеродсодержащие] молекулы в самых простых формах, таких как метанол. Из этого основного строительного блока метанола вы можете получить такие молекулы, как гликолевый альдегид, который является сахаром, и этиленгликоль. Оба они являются «пребиотическими» молекулами, что означает, что они необходимы для возможного образования молекул жизни.
То, где поле астрохимии движется дальше, далеко от того, чтобы провести инвентаризацию молекул и попытаться понять, как образуются эти разные молекулы. Мы также пытаемся понять, почему мы можем найти большее количество определенных молекул в определенных космических областях по сравнению с другими видами молекул.
TKF: То, что вы только что сказали, заставляет меня задуматься об аналогии: теперь Астрохимия теперь меньше связана с поиском новых молекул в космосе - что-то вроде зоологов, ищущих новых животных в джунглях. Теперь дело больше в «экологии» того, как взаимодействуют эти молекулярные животные, и почему в космосе так много определенного вида, а там так мало и так далее.
EVD: Это хорошая аналогия! По мере того, как мы начинаем понимать физику и химию того, как формируются звезды и планеты, значительная часть выясняет, почему некоторые молекулы в изобилии присутствуют в определенных межзвездных областях, но являются «вымершими», как и животные, в других регионах.
Если мы продолжим вашу метафору, то между молекулами действительно будет много интересных взаимодействий, которые можно сравнить с экологией животных. Например, температура является контролирующим фактором в поведении и взаимодействиях молекул в космосе, что также влияет на деятельность животных, место их обитания и так далее.
TKF: Возвращаясь к идее строительных блоков, как именно работает процесс наращивания в астрохимии?
EVDВажную концепцию построения молекул в космосе мы знаем из повседневной жизни здесь, на Земле, и называем фазовые переходы. Это когда твердое вещество превращается в жидкость, или жидкость испаряется в газ, и так далее.
Теперь в космосе каждая молекула имеет свою собственную «снежную линию», которая является разделением между газовой фазой и твердой фазой. Так, например, у воды есть снежная линия, по которой она переходит от водяного газа к водяному льду. Я должен указать, что жидкие формы элементов и молекул не могут существовать в космосе, потому что слишком мало давления; вода может быть жидкой на Земле из-за давления атмосферы планеты.
Возвращаясь к снежным линиям, мы обнаруживаем, что они играют очень важную роль в формировании планет, контролируя многие химические процессы. Одним из наиболее важных строительных блоков Lego, который мы нашли, является угарный газ. Мы знакомы с окисью углерода на Земле, потому что он образуется, например, при сжигании. Мои коллеги и я продемонстрировали в лаборатории в Лейдене, что окись углерода является отправной точкой для создания в космосе многих более сложных органических веществ. Замораживание окиси углерода из газа в твердую фазу является важным первым шагом к добавлению в конструкцию Lego водородных блоков. Это позволяет вам создавать все большие и большие молекулы, такие как формальдегид [CH2O], затем метанол на гликолевый альдегид, как мы обсуждали, или вы можете даже перейти к более сложным молекулам, таким как глицерин [C3ЧАС8О3].
Это всего лишь один пример, но он дает вам представление о том, как происходит процесс наращивания в астрохимии.
TKF: Вы только что упомянули свою лабораторию в Лейденской обсерватории, Лаборатория астрофизики им. СаклераЯ понимаю, что это отличительная черта первой в мире астрофизической лаборатории. Как это случилось и чего вы там добились?
EVD: Вот так. Майо Гринберг, новаторский астрохимик, основал лабораторию в 1970-х годах, и она была действительно первой в своем роде для астрофизики в мире. Он удалился, а потом я продолжил работу лаборатории. В конце 90-х годов я стал директором этой лаборатории и оставался там до 2004 года, когда коллега стал руководителем. Я до сих пор сотрудничаю и провожу там эксперименты.
В лаборатории нам удалось добиться экстремальных условий космоса: его холода и радиации. Мы можем воспроизвести температуру в космосе до 10 градусов Цельсия [минус 442 градуса по Фаренгейту; минус 260 градусов по Цельсию], что чуть-чуть выше абсолютного нуля. Мы также можем воссоздать интенсивное ультрафиолетовое излучение в звездном свете, которому подвергаются молекулы в областях нового звездообразования. [Звездная викторина: проверь свои звездные умения]
Однако мы терпим неудачу в воспроизведении пустоты пространства, вакуума. Мы считаем, что сверхвысокий вакуум в лаборатории должен составлять порядка 108 до 1010 [от ста миллионов до десяти миллиардов] частиц на кубический сантиметр. То, что астрономы называют плотным облаком, где происходит формирование звезд и планет, имеет всего около 104или около 10000 частиц на кубический сантиметр. Это означает, что плотное облако в космосе все еще в миллион раз пустее, чем лучшее, что мы можем сделать в лаборатории!
Но это в конечном итоге работает в нашу пользу. В крайнем космическом вакууме интересующая нас химия движется очень, очень медленно. Это просто не сработает в лаборатории, где мы не можем ждать 10 000 или 100 000 лет, пока молекулы не столкнутся друг с другом и не будут взаимодействовать. Вместо этого нам нужно уметь реагировать в течение дня, чтобы узнать что-либо в масштабе человеческой научной карьеры. Таким образом, мы ускоряем все и можем перевести то, что видим в лаборатории, в гораздо более длительные временные масштабы в пространстве.
TKF: В дополнение к лабораторной работе, за свою карьеру вы использовали множество телескопов для изучения молекул в космосе. Какие инструменты были необходимы для вашего исследования и почему?
EVD: Новые инструменты были решающими в течение всей моей карьеры. Астрономия действительно основана на наблюдениях. Наличие еще более мощных телескопов на новых длинах волн света - это все равно, что смотреть на вселенную другими глазами.
В качестве примера, в конце 1980-х я вернулся в Нидерланды, когда страна активно участвовала в работе Инфракрасной космической обсерватории, или ИСО, миссии, возглавляемой Европейским космическим агентством (ЕКА). Мне очень повезло, что кто-то другой проделал тяжелую работу в течение 20 лет, чтобы превратить этот телескоп в реальность, и я с радостью смог его использовать! ИСО была очень важна, потому что она открыла инфракрасный спектр, где мы могли видеть все эти спектральные признаки, такие как химические отпечатки пальцев, льдов, включая воду, которые играют главную роль в формировании звезд и планет, а также в случае воды, конечно, критически важны для жизни. Это было прекрасное время.
Следующей очень важной миссией была Космическая обсерватория им. Гершеля, с которой я лично связался в качестве аспиранта еще в 1982 году. Со стороны химии было ясно, что Гершель был основной миссией для межзвездных молекул, и в частности «следовать за Водная тропа. " Но сначала нам нужно было обосновать науку ЕКА. Я ездил в США в течение ряда лет и там участвовал в подобных дискуссиях, где помогал Гершелю в научных исследованиях для финансирующих агентств США. Это был большой толчок, пока миссия не была окончательно утверждена в конце 1990-х годов. Тогда все еще потребовалось 10 лет, чтобы построить и запустить, но мы наконец получили наши первые данные в конце 2009 года. Так что с 1982 по 2009 год - это был долгий путь! [Фотографии: удивительные инфракрасные изображения космической обсерватории им. Гершеля]
TKF: когда и где укоренилась твоя любовь к космосу и химии?
EVD: Моя главная любовь всегда была для молекул. Это началось в старшей школе с очень хорошего учителя химии. Многое зависит от действительно хороших учителей, и я не думаю, что люди всегда понимают, насколько это важно. Я только понял, когда поступил в колледж, что физика была таким же интересным, как и химия.
TKF: Какой академический путь вы выбрали, чтобы в конечном итоге стать астрохимиком?
EVD: В Лейденском университете я получил степень магистра по химии и был убежден, что хочу продолжить теоретическую квантовую химию. Но профессор в этой области в Лейдене умер. Поэтому я начал искать другие варианты. Я действительно мало знал об астрономии в то время. Это был мой тогдашний парень и нынешний муж Тим, который только что услышал серию лекций по межзвездной среде, и Тим сказал мне: «Вы знаете, в космосе также есть молекулы!» [Смех]
Я начал изучать возможность написания диссертации о молекулах в космосе. Я ходил от одного профессора к другому. Коллега в Амстердаме сказал мне, что для того, чтобы по-настоящему заняться астрохимией, мне нужно было поехать в Гарвард, чтобы работать с профессором Александром Далгарно. Так случилось, что летом 1979 года мы с Тимом ехали в Канаду на Генеральную Ассамблею Международного астрономического союза в Монреале. Мы выяснили, что перед Генеральной Ассамблеей проводились сателлитные встречи, и одна из них фактически проводилась в этом конкретном парке, где мы с Тимом разбили лагерь. Мы подумали: «Ну, может, нам стоит воспользоваться этой возможностью и уже пойти к этому профессору Далгарно!»
Конечно, у нас было все это снаряжение для кемпинга и одежда, но у меня была одна чистая юбка, которую я надела. Тим отвез меня на сателлитную встречу, мы нашли моего коллегу из Амстердама, и он сказал: «О, хорошо, я познакомлю вас с профессором Далгарно». Профессор вывел меня на улицу, мы поговорили пять минут, он спросил меня, что я сделал, каковы мои навыки в области астрохимии, а затем сказал: «Звучит интересно, почему ты не приходишь работать на меня?» Это был явно поворотный момент.
Вот так все и началось. С тех пор я ни разу не пожалел об этом.
TKF: Были ли другие ключевые моменты, возможно, в раннем детстве, которые помогли вам стать ученым?
EVD: На самом деле да. Мне было около 13 лет, и мой отец только что организовал творческий отпуск в Сан-Диего, штат Калифорния. Я покинул среднюю школу в Нидерландах, где мы в основном получали уроки латыни и греческого языка и, конечно, немного математики. Но у нас еще ничего не было с точки зрения химии или физики, а биология началась только через год или два.
В средней школе в Сан-Диего я решил изучать разные темы. Я взял испанский, например. Была также возможность заниматься наукой. У меня был очень хороший учитель, который был афроамериканкой, что в то время, в 1968 году, было довольно необычным. Она была просто очень вдохновляющей. У нее были эксперименты, у нее были вопросы, и ей действительно удалось привлечь меня к науке.
TKF: Теперь с нетерпением ждем обещания Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), который открылся несколько лет назад и является одним из самых амбициозных и дорогих наземных астрономических проектов, когда-либо реализованных. Астрофизик Рейнхард Гензел приписывает вам помощь в достижении международного консенсуса в этой обсерватории. Как вы сделали дело для ALMA?
EVD: ALMA имела удивительный успех как первая обсерватория в этом специальном диапазоне миллиметрового и субмиллиметрового света, который является важным окном для наблюдения молекул в космосе. Сегодня ALMA состоит из 66 радиотелескопов с 7- и 12-метровой конфигурацией, которые простираются через высокогорную равнину в Чили. Это был очень долгий путь, чтобы добраться туда, где мы сейчас находимся!
ALMA - это результат мечтаний многих тысяч людей. Я был одним из двух членов с европейской стороны в Научном консультативном комитете США по ALMA. Я хорошо знал североамериканское научное сообщество по шести годам работы в США. У обеих сторон, как и у Японии, были разные концепции ALMA. Европейцы думали о телескопе, который можно было бы использовать для глубокой химии очень ранней вселенной, в то время как жители Северной Америки гораздо больше думали о крупномасштабных изображениях с высоким разрешением; одна группа говорила о строительстве восьмиметровых телескопов, другая - о 15-метровых телескопах. [Познакомьтесь с ALMA: Удивительные фотографии с гигантского радиотелескопа]
Так что я был одним из тех, кто помог объединить эти два аргумента. Я сказал: «Если вы построите гораздо больший массив, на самом деле мы все победим». План состоял в том, чтобы собрать большее количество телескопов вместе в одном массиве, а не в отдельных массивах, которые не такие мощные. И вот что случилось. Мы задаем тон совместной работы над этим фантастическим проектом, а не являемся конкурентами.
TKF: Какие новые рубежи открывает ALMA в астрохимии?
EVD: Большой скачок, который мы делаем с ALMA, заключается в пространственном разрешении. Представьте себе, глядя на город сверху. Первые изображения Google Планета Земля были очень плохими - вы едва могли видеть что-либо; город был большой каплей. С тех пор изображения становятся все более и более резкими, поскольку пространственное разрешение улучшается с помощью камер на спутниках. В настоящее время вы можете увидеть каналы [в голландских городах], улицы, даже отдельные дома. Вы можете действительно видеть, как весь город соединен.
То же самое происходит сейчас с местами рождения планет, которые представляют собой эти крошечные диски вокруг молодых звезд. Эти диски в сто-тысячу раз меньше облаков, на которых мы смотрели ранее, где рождаются звезды. С ALMA мы приближаемся к регионам, где формируются новые звезды и планеты. Это действительно соответствующие весы, чтобы понять, как работают эти процессы. А ALMA уникально обладает спектроскопическими возможностями для обнаружения и изучения очень широкого спектра молекул, участвующих в этих процессах. ALMA - фантастический шаг вперед по сравнению с тем, что у нас было раньше.
TKF: Новые телескопы, которыми вы пользовались на протяжении всей своей карьеры, оказались экстраординарными. В то же время мы все еще ограничены тем, что видим в космосе. Когда вы думаете о будущих поколениях телескопов, что вы больше всего надеетесь увидеть?
EVD: Следующим шагом в нашем исследовании является космический телескоп Джеймса Вебба [JWST], запуск которого запланирован на 2021 год. С JWST я с нетерпением жду возможности увидеть органические молекулы и воду в еще меньших масштабах и в разных частях планеты. формирование зон, чем это возможно с ALMA.
Но ALMA будет иметь важное значение для наших исследований еще долгое время - еще 30-50 лет. Нам еще многое нужно узнать с помощью ALMA. Однако ALMA не может помочь нам изучить самую внутреннюю часть формирующего планету диска в масштабе, где образовалась наша Земля, на небольшом расстоянии от Солнца. Там газ в диске намного теплее, и инфракрасный свет, который он излучает, может быть захвачен инструментом, который мы с коллегами помогли реализовать для JWST.
JWST - последняя миссия, над которой я работал. Опять же, это было случайно, но я оказался в хорошем положении с моими американскими партнерами и коллегами, чтобы помочь. Некоторые из нас с европейской и американской сторон собрались вместе и сказали: «Эй, мы хотим, чтобы этот инструмент появился, и мы можем сделать это в партнерстве 50/50».
TKF: Учитывая вашу работу над строительными блоками, из которых состоят звезды и планеты, космос кажется поддающимся или даже способствующим жизни?
EVDЯ всегда говорю, что предоставляю строительные блоки, а затем биология и химия должны рассказать остальную часть истории! [Смех] В конечном счете, важно, о какой жизни мы говорим. Говорим ли мы о самой примитивной одноклеточной жизни, которая, как мы знаем, возникла быстро на Земле? Учитывая все имеющиеся у нас ингредиенты, нет никаких причин, по которым это не могло бы возникнуть ни на одной из миллиардов экзопланет, которые, как мы теперь знаем, вращаются вокруг миллиардов других звезд.
Переходя к следующим этапам многоклеточной и, в конечном счете, разумной жизни, мы еще очень мало понимаем, как это получается из более простой жизни. Но я думаю, что с уверенностью сказать, учитывая уровень сложности, менее вероятно, что это будет возникать так же часто, как, скажем, микробы. [10 экзопланет, способных принять инопланетную жизнь]
TKF: Как область астрохимии поможет нам ответить на вопрос, существует ли инопланетная жизнь во вселенной?
EVD: Изучение химии атмосфер экзопланет - вот что поможет нам ответить на этот вопрос. Мы найдем много потенциально похожих на Землю экзопланет. Следующим шагом будет поиск спектральных отпечатков пальцев, о которых я упоминал ранее, в атмосферах планет. В этих отпечатках пальцев мы будем специально искать «биомолекулы» или комбинации молекул, которые могли бы указывать на наличие той или иной формы жизни. Это означает не только воду, но и кислород, озон, метан и многое другое.
Наши современные телескопы могут едва обнаружить эти отпечатки пальцев в атмосфере экзопланет. Вот почему мы создаем следующее поколение гигантских наземных телескопов, таких как Чрезвычайно Большой Телескоп, у которого будет зеркало, которое примерно в три раза больше, чем что-либо сегодня. Я участвую в научном обосновании этого и других новых инструментов, и биосигнатуры действительно являются одной из главных целей. Это захватывающее направление, в котором пойдет астрохимия.
