Bir sanatçının arka planda Rozet Bulutsusu'ndaki yıldız oluşumu gözlemleriyle Herschel Uzay Gözlemevi izlenimi.
(Resim: © C. Carreau / ESA)
Kavli Vakfı'nın yazarı ve editörü Adam Hadhazy bu makaleye Space.com'un Uzman Sesleri: Op-Ed & Insights'a katkıda bulundu.
Şanslı kamp gezilerinden büyük bütçeli gözlemevlerinde uluslararası fikir birliği oluşturmaya kadar, 2018 Kavli Ödülü sahibi astrokimya alanındaki kişisel ve profesyonel yolculuğunu tartışıyor.
TÜM YER DEĞİL BİR BARREN YERİ DEĞİLDİR. Galaksiler, basit hidrojen gazından yaşamın gelişimi için kritik olan karmaşık organik maddelere kadar zengin molekül güveçleri içeren tozlu bulutlarla doludur. Bütün bu kozmik bileşenlerin yıldızların ve gezegenlerin oluşumuna nasıl karıştığını kavramak, Ewine van Dishoeck'in hayatının işi olmuştur.
Bir kimyager eğiterek, van Dishoeck yakında gözlerini kozmosa çevirdi. Ortaya çıkan astrokimya alanında birçok gelişmeye öncülük etti ve engin teleskopları geniş yıldız taşıyan bulutların içeriğini ortaya çıkarmak ve tanımlamak için kullandı. Buna paralel olarak, van Dishoeck laboratuvar deneylerini ve kuantum hesaplamalarını terra firma kozmik moleküllerin yıldız ışığıyla parçalanmasını ve yeni moleküllerin Lego tuğlaları gibi bir araya geldiği koşulları anlamak için. [8 Şaşırtıcı Astronomi Gizemi]
Van Dishoeck, Astrofizik'te 2018 Kavli Ödülü'nü alarak, yıldızlararası bulutların yaşam döngüsünü ve yıldızların ve gezegenlerin oluşumunu açıklayan gözlemsel, teorik ve laboratuvar astrokimyasına yaptığı katkılardan dolayı. Herhangi bir alanda, ödülü tarihinin tek bir alıcısı olarak ayırt eden sadece ikinci kazanan.
Astrokimyadaki atılım kariyeri ve sahadaki sırada neler olduğu hakkında daha fazla bilgi edinmek için Kavli Vakfı, bir personel barbekesine katılmadan hemen önce, Hollanda'daki Leiden Üniversitesi Gözlemevi'ndeki ofisinden van Dishoeck ile konuştu. Van Dishoeck, Moleküler Astrofizik Profesörü ve Uluslararası Astronomi Birliği (IAU) Başkan Yardımcısıdır.
Aşağıdaki yuvarlak masa tartışmasının düzenlenmiş bir transkriptidir. Van Dishoeck'e sözlerini değiştirme veya düzenleme fırsatı verildi.
KAVLI VAKFI: Astrokimya bize kendimiz ve içinde yaşadığımız evren hakkında ne anlatıyor?
EWINE VAN DISHOECK: Astrokimya tarafından anlatılan genel hikaye, kökenimiz nedir? Nereden geliyoruz, nasıl inşa edildi? Gezegenimiz ve güneşimiz nasıl oluştu? Bu, sonuçta bizi güneş, Dünya ve bizim için temel yapı taşlarını keşfetmeye çalışır. Legos gibi - güneş sistemimiz için Lego binasında hangi parçaların olduğunu bilmek istiyoruz.
En temel yapı taşları elbette kimyasal elementlerdir, ancak bu elementlerin uzayda daha büyük yapı taşları - moleküller - oluşturmak için nasıl birleştiği, her şeyin nasıl ortaya çıktığını anlamak için çok önemlidir.
TKF: Siz ve diğer araştırmacılar, uzayda bu moleküler yapı taşlarının 200'den fazlasını belirlediniz. Alan, kariyeriniz boyunca nasıl gelişti?
EVD: 1970'lerde iyonlar ve radikaller gibi çok sıra dışı moleküllerin uzayda nispeten bol olduğunu bulmaya başladık. Bu moleküller eksik veya eşleşmemiş elektronlara sahip. Yeryüzünde uzun sürmezler çünkü tanıştıkları başka herhangi bir maddeye hızla tepki verirler. Ancak uzay çok boş olduğu için, iyonlar ve radikaller herhangi bir şeye çarpmadan önce on binlerce yıl yaşayabilirler.
Şimdi, şu anda yeni yıldızların ve gezegenlerin oluştuğu bölgelerin tam kalbinde bulunan molekülleri belirlemeye doğru ilerliyoruz. İzole iyonları ve radikalleri daha doymuş moleküllere tespit ederek geçiyoruz. Bunlar metanol gibi en basit formlardaki organik [karbon içeren] molekülleri içerir. Bu temel metanol yapı bloğundan, bir şeker olan glikolaldehit ve etilen glikol gibi moleküllere kadar oluşturabilirsiniz. Bunların her ikisi de "prebiyotik" moleküllerdir, yani yaşam moleküllerinin nihai oluşumu için gereklidirler.
Astrokimya alanının ilerlediği yerde, bir molekül envanteri almaktan ve bu farklı moleküllerin nasıl oluştuğunu anlamaya çalışmaktan uzaktır. Ayrıca belirli kozmik bölgelerde belirli moleküllerin neden diğer molekül türlerine göre daha fazla miktarda bulabileceğimizi de anlamaya çalışıyoruz.
TKF: Az önce söylediğin şey bir benzetmeyi düşündürüyor: Astrokimya artık uzayda yeni moleküller bulmakla ilgili değil - ormanda yeni hayvanlar arayan bir zoolog gibi. Alan şimdi bu moleküler hayvanların nasıl etkileşime girdiğinin ve burada uzayda neden bu kadar çok türün, ama orada çok azının vb. Varlığının "ekolojisi" ile ilgilidir.
EVD: Bu iyi bir benzetme! Yıldızların ve gezegenlerin nasıl oluştuğunun fiziğini ve kimyasını anladığımızdan, önemli bir kısmı, bazı moleküllerin bazı yıldızlararası bölgelerde neden bol olduğunu, ancak diğer bölgelerde hayvanlar gibi "soyu tükenmiş" olduğunu buluyor.
Metaforunuza devam edersek, moleküller arasında hayvan ekolojisine benzetilebilecek birçok ilginç etkileşim vardır. Örneğin sıcaklık, uzaydaki moleküllerin davranış ve etkileşimlerinde, hayvanların aktivitelerini ve nerede yaşadıklarını vb. Etkileyen bir kontrol faktörüdür.
TKF: Yapı taşları fikrine dönersek, astrokimyadaki inşa süreci tam olarak nasıl çalışıyor?
EVD: Uzayda molekül üretmede önemli bir kavram, burada Dünya'daki günlük yaşamdan, faz geçişleri olarak adlandırdığımız kavramdır. O zaman bir katı bir sıvıya erir veya bir sıvı gaza buharlaşır vb.
Şimdi uzayda, her molekülün kendi "kar hattı" vardır, bu da bir gaz fazı ile katı bir faz arasındaki ayrımdır. Örneğin, su, su gazından su buza giden bir kar hattına sahiptir. Elementlerin ve moleküllerin sıvı formlarının uzayda var olamayacağını belirtmeliyim çünkü çok az basınç var; su, gezegenin atmosferinden gelen baskı nedeniyle Dünya'da sıvı olabilir.
Kar hatlarına geri dönersek, şimdi, bir çok kimyayı kontrol ederek gezegen oluşumunda çok önemli bir rol oynadıklarını keşfediyoruz. Tabii ki, bulduğumuz en önemli Lego yapı taşlarından biri karbon monoksit. Örneğin, yanma ile üretildiği için Dünya'daki karbon monoksite aşinayız. Meslektaşlarım ve ben Leiden'daki laboratuvarda, karbon monoksitin uzayda daha karmaşık organikler üretmenin başlangıç noktası olduğunu gösterdik. Bir gazdan katı bir faza donan karbon monoksit, Lego yapı hidrojenlerini eklemek için çok önemli bir ilk adımdır. Böylece formaldehit gibi daha büyük ve daha büyük moleküller oluşturmaya devam edebilirsiniz [CH2O], sonra metanol, tartıştığımız gibi glikolaldehite geçer, hatta gliserol gibi daha karmaşık moleküllere bile gidebilirsiniz [C3'H8Ö3].
Bu sadece bir örnek, ama size astrokimyada bir geliştirme sürecinin nasıl oynandığına dair bir fikir veriyor.
TKF: Laboratuvarınızı Leiden Gözlemevinde, Astrofizik için Sackler Laboratuvarıilk astrofizik laboratuarı olarak bir ayrım yaptığımı anladım. Nasıl oldu ve orada neler başardınız?
EVD: Doğru. Öncü bir astrokimyacı olan Mayo Greenberg, laboratuvara 1970'lerde başladı ve dünyada astrofizik için gerçekten türünün ilk örneği oldu. Emekli oldu ve sonra laboratuvarı devam ettirdim. Sonunda 1990'ların başında bu laboratuvarın direktörü oldum ve bir meslektaşın liderlik kazandığı 2004 yılına kadar öyle kaldım. Hala işbirliği yapıyor ve deneyler yapıyorum.
Laboratuarda başardığımız şey, uzayın aşırı koşulları: Soğukluğu ve radyasyonu. Uzayda sıcaklıkları 10 kelvin [eksi 442 derece Fahrenheit; eksi 260 derece Celsius], ki bu mutlak sıfırın biraz üzerindedir. Ayrıca, moleküllerin yeni yıldız oluşum bölgelerinde maruz kaldığı yoğun ultraviyole radyasyonu yıldız ışığında yeniden oluşturabiliriz. [Yıldız Testi: Yıldız Zekasını Test Et]
Ancak başarısız olduğumuz yerde uzayın boşluğunu, boşluğu yeniden üretmektir. Laboratuvardaki ultra yüksek vakumun 10 civarında olduğunu düşünüyoruz8 10'a kadar10 santimetre küp başına [yüz milyon ila on milyar] parçacık. Gökbilimcilerin yıldız ve gezegen oluşumunun gerçekleştiği yoğun bir bulut dediği şey, sadece yaklaşık 104veya santimetre küp başına yaklaşık 10.000 parçacık. Bu, uzayda yoğun bir bulutun, laboratuarda yapabileceğimiz en iyi buluttan hala bir milyon kat daha boş olduğu anlamına geliyor!
Ama bu sonuçta bizim yararımıza çalışıyor. Uzayın aşırı boşluğunda, anlamaya ilgi duyduğumuz kimya, hareketleri çok, çok yavaş bir şekilde yapıyor. Bu, laboratuvarda yapmaz, burada moleküllerin birbirleriyle çarpışması ve etkileşimi için 10.000 veya 100.000 yıl bekleyemeyiz. Bunun yerine, bir insan bilimi kariyerinin zaman ölçeklerinde herhangi bir şey öğrenmek için reaksiyonu bir günde yapabilmemiz gerekir. Böylece her şeyi hızlandırıyoruz ve laboratuvarda gördüğümüz şeyi uzayda daha uzun zaman ölçeklerine çevirebiliyoruz.
TKF: Laboratuar çalışmalarına ek olarak, kariyeriniz boyunca, uzayda molekülleri incelemek için bir dizi teleskop kullandınız. Hangi araçlar araştırmanız için gerekliydi ve neden?
EVD: Tüm kariyerim boyunca yeni enstrümanlar çok önemli. Astronomi gerçekten gözlemlerle yönlendirilir. Yeni ışık dalga boylarında her zamankinden daha güçlü teleskoplara sahip olmak, evrene farklı gözlerle bakmak gibidir.
Size bir örnek vermek gerekirse, 1980'lerin sonunda, ülke Kızılötesi Uzay Gözlemevi'ne veya Avrupa Uzay Ajansı'nın [ESA] liderliğindeki bir misyon olan ISO'ya yoğun bir şekilde dahil olduğunda Hollanda'ya geri döndüm. Bu teleskopu gerçeğe dönüştürmek için 20 yıl boyunca başkalarının çok çalıştığı için çok şanslı hissettim ve mutlu bir şekilde kullanabilirim! ISO çok önemliydi, çünkü yıldız ve gezegen oluşumunda ve suyun durumunda büyük rol oynayan su dahil buzların kimyasal parmak izleri gibi tüm bu spektral imzalarını görebildiğimiz kızılötesi spektrumu açtı elbette yaşam için kritik. Harika bir zamandı.
Bir sonraki çok önemli görev, 1982 yılında kişisel olarak yüksek lisans öğrencisi olarak dahil olduğum Herschel Uzay Gözlemevi'ydi. Kimya açısından, Herschel'in yıldızlararası moleküller için birincil bir görev olduğu ve özellikle de " su izi. " Ama önce bilim vakasını ESA için yapmamız gerekiyordu. ABD'ye birkaç yıl gittim ve orada benzer tartışmalara girdim, burada Herschel için bilim vakasını ABD fon ajanslarına yapmada yardımcı oldum. Görev sonunda 1990'ların sonunda onaylanıncaya kadar büyük bir baskı oldu. Daha sonra inşa edilmesi ve başlatılması 10 yıl sürdü, ancak nihayet ilk verilerimizi 2009 sonlarında aldık. 1982'den 2009'a kadar - bu uzun bir dönemdi! [Fotoğraflar: Herschel Uzay Gözlemevi'nin İnanılmaz Kızılötesi Görüntüleri]
TKF: Uzay ve kimyaya olan sevginiz ne zaman ve nerede kök saldı?
EVD: Ana sevgim daima moleküller içindi. Bu lisede çok iyi bir kimya öğretmeni ile başladı. Çok iyi öğretmenlere bağlı ve insanların bunun ne kadar önemli olduğunun farkında olduklarını sanmıyorum. Sadece üniversiteye gittiğimde fiziğin kimya kadar eğlenceli olduğunu fark ettim.
TKF: Sonunda astrokimya olmak için hangi akademik yolu izledin?
EVD: Leiden Üniversitesi'nde yüksek lisansımı kimyada yaptım ve teorik kuantum kimyası ile devam etmek istediğime ikna oldum. Ancak Leiden'daki o alanda profesör ölmüştü. Bu yüzden başka seçenekler aramaya başladım. O zaman astronomi hakkında çok fazla şey bilmiyordum. Yıldızlararası ortamda bir dizi ders duymuş olan o zamanki erkek arkadaşım ve şu anki kocam Tim'di ve Tim bana "Biliyorsun, uzayda moleküller de var!" [Kahkaha]
Uzaydaki moleküller üzerinde tez yapma olasılığını araştırmaya başladım. Bir profesörden diğerine gittim. Amsterdam'daki bir meslektaşım bana gerçekten astrokimya alanına girmek için Profesör Alexander Dalgarno ile çalışmak için Harvard'a gitmem gerektiğini söyledi. Olduğu gibi, 1979 yazında Tim ve ben Montreal'de Uluslararası Astronomi Birliği Genel Kuruluna katılmak için Kanada'ya seyahat ediyorduk. Genel Kurul öncesi uydu toplantılarının yapıldığını ve bunlardan birinin Tim ve ben kamp yaptığımız bu parkta gerçekleştiğini öğrendik. Fikrimiz, "Eh, belki de bu fırsatı değerlendirmeli ve bu Profesör Dalgarno'yu görmeye gitmeliyiz!"
Tabii ki, tüm bu kamp malzemeleri ve kıyafetleri vardı, ama yanımda koyduğum bir temiz etek vardı. Tim beni uydu toplantısına götürdü, meslektaşımı Amsterdam'dan bulduk ve "Ah, güzel, sizi Profesör Dalgarno ile tanıştıracağım" dedi. Profesör beni dışarı çıkardı, beş dakika konuştuk, bana ne yaptığımı, astrokimya yeteneğimin ne olduğunu sordu ve sonra "İlginç görünüyor; neden gelip benim için çalışmıyorsun?" Dedi. Açıkçası çok önemli bir andı.
Her şey böyle başladı. O zamandan beri hiç pişman olmadım.
TKF: Belki de çocukluğunuzun başlarında sizi bilim adamı olma yoluna sokan başka önemli anlar oldu mu?
EVD: Aslında evet. Yaklaşık 13 yaşındaydım ve babam California, San Diego'da bir sabbatikal düzenlemişti. Lisemden ayrıldım, çoğunlukla Latince ve Yunanca dersleri ve tabii ki bazı matematik dersleri aldık. Ancak henüz kimya ya da fizik açısından hiçbir şeyimiz yoktu ve biyoloji en az bir ya da iki yıl sonrasına kadar başlamadı.
San Diego'daki ortaokulda, çok farklı konular üzerinde çalışmaya karar verdim. Mesela İspanyolcayı aldım. Bilim yapma imkanı da vardı. Çok iyi bir öğretmenim vardı, o sırada 1968'de oldukça sıra dışı olan bir Afrikalı-Amerikalı kadındı. Çok ilham vericiydi. Deneyleri vardı, soruları vardı ve beni gerçekten bilime çekmeyi başardı.
TKF: Şimdi, birkaç yıl önce açılan ve şimdiye kadar uygulanan en iddialı ve pahalı yer tabanlı astronomi projeleri arasında yer alan Atacama Büyük Milimetre / milimetre-altı Dizisi'nin (ALMA) vaadini bekliyor. Astrofizikçi Reinhard Genzel, bu gözlemevinin ardındaki uluslararası fikir birliğini oluşturmanıza yardımcı olmak için sizi bilgilendirir. ALMA için nasıl davrandınız?
EVD: ALMA, uzaydaki molekülleri gözlemlemek için önemli bir pencere olan bu özel milimetre ve milimetre-altı ışık aralığında prömiyeri gözlemevi olarak inanılmaz bir başarı oldu. Bugün ALMA, Şili'de yüksek rakımlı bir alana yayılan 7- ve 12 metrelik konfigürasyonlara sahip 66 radyo teleskopundan oluşuyor. Şimdi bulunduğumuz yere ulaşmak için çok uzun bir yoldu!
ALMA binlerce insanın hayallerinin sonucudur. ABD'nin ALMA Bilim Danışma Komitesi'nde Avrupa tarafından iki üyeden biriydim. Kuzey Amerika bilim topluluğunu ABD'de çalıştığım altı yıldan beri biliyordum. İki tarafın yanı sıra Japonya'nın ALMA için çok farklı kavramları vardı. Avrupalılar derin, çok erken evren kimyası için kullanılabilecek bir teleskop düşünürken, Kuzey Amerikalılar büyük ölçekli, yüksek çözünürlüklü görüntüleme hakkında çok daha fazla düşünüyorlardı; bir grup sekiz metrelik teleskoplardan, diğeri 15 metrelik teleskoplardan bahsediyordu. [ALMA ile tanışın: Dev Radyo Teleskopundan İnanılmaz Fotoğraflar]
Bu yüzden bu iki argümanı bir araya getirmeye yardım eden insanlardan biriydim. "Daha büyük bir dizi oluşturursanız, aslında hepimiz kazanırız" dedim. Plan, o kadar güçlü olmayan ayrı dizilerden ziyade çok sayıda teleskopu tek bir dizide bir araya getirmeye başladı. Ve işte böyle oldu. Rakip olmaktan ziyade bu harika projede birlikte çalışma tonunu belirledik.
TKF: ALMA astrokimyada hangi yeni sınırları açıyor?
EVD: ALMA ile yaptığımız büyük sıçrama mekansal çözünürlükte. Bir şehre yukarıdan baktığınızı düşünün. İlk Google Earth görüntüleri çok zayıftı; neredeyse hiçbir şey göremiyordunuz; bir şehir büyük bir lekeydi. O zamandan beri, uydulardaki kameralarla uzamsal çözünürlük geliştikçe görüntüler keskinleşiyor ve keskinleşiyor. Günümüzde kanalları [Hollanda şehirlerinde], sokakları, hatta bireysel evleri görebilirsiniz. Tüm şehrin nasıl bir araya getirildiğini gerçekten görebilirsiniz.
Aynı şey, genç yıldızların etrafındaki bu küçük diskler olan gezegenlerin doğum yerlerinde de oluyor. Bu diskler daha önce yıldızların doğduğu bulutlara göre yüz ila bin kat daha küçüktür. ALMA ile yeni yıldızların ve gezegenlerin oluştuğu bölgelere yaklaşıyoruz. Bunlar gerçekten bu süreçlerin nasıl çalıştığını anlamak için ilgili ölçeklerdir. Ve ALMA, benzersiz bir şekilde, bu süreçlerde yer alan çok çeşitli molekülleri tespit etmek ve incelemek için spektroskopik yeteneklere sahiptir. ALMA, daha önce sahip olduğumuz her şeyden ileriye doğru fantastik bir adım.
TKF: Kariyeriniz boyunca kullandığınız yeni teleskopların olağanüstü olduğu kanıtlandı. Aynı zamanda, kozmosta neler görebileceğimizle hala sınırlıyız. Gelecek kuşak teleskopları düşününce en çok neyi görmeyi umuyorsunuz?
EVD: Araştırmamızın bir sonraki adımı, 2021'de piyasaya sürülecek olan James Webb Uzay Teleskobu [JWST]. JWST ile, daha küçük ölçeklerde ve gezegenin farklı bölgelerinde organik molekülleri ve suyu görmeyi dört gözle bekliyorum. ALMA ile mümkün olandan daha fazla bölge oluşturur.
Ancak ALMA uzun bir süre boyunca araştırmamız için çok önemli olacak - 30 ila 50 yıl daha. ALMA ile keşfetmemiz gereken çok şey var. Bununla birlikte, ALMA gezegenimiz oluşturan bir diskin iç kısmını Dünya'nın oluştuğu yerde, güneşten sadece kısa bir mesafede incelememize yardımcı olamaz. Diskteki gaz çok daha sıcaktır ve yaydığı kızılötesi ışık, meslektaşlarımın ve ben JWST'nin uygulanmasına yardım ettiğimiz bir aletle yakalanabilir.
JWST üzerinde çalıştığım son görev. Yine, şans eseri dahil oldum, ancak Amerikan ortakları ve meslektaşlarımla iyi bir pozisyondaydım. Avrupa ve ABD taraflarından bazılarımız bir araya gelerek "Hey, bu enstrümanı gerçekleştirmek istiyoruz ve bunu 50/50 ortaklığında yapabiliriz" dedi.
TKF: Yıldızları ve gezegenleri oluşturan yapı taşları üzerindeki çalışmalarınız göz önüne alındığında, kozmos dostane ya da hatta hayata elverişli görünüyor mu?
EVD: Her zaman yapı taşlarını sağladığımı söylüyorum ve sonra hikayenin geri kalanını anlatmak biyoloji ve kimyaya bağlı! [Gülüşmeler] Sonuçta, ne tür bir hayattan bahsettiğimiz önemlidir. Dünya'da hızla ortaya çıktığını bildiğimiz en ilkel, tek hücreli hayattan mı bahsediyoruz? Elimizdeki tüm malzemeler göz önüne alındığında, bunun milyarlarca başka yıldızın yörüngesinde olduğunu bildiğimiz milyarlarca dış gezegenden hiçbirinde ortaya çıkmamasının bir nedeni yoktur.
Çok hücreli ve nihayetinde akıllı yaşamın bir sonraki adımlarına giderek, bunun daha basit yaşamdan nasıl ortaya çıktığını çok az anlıyoruz. Ama bence karmaşıklık seviyesi göz önüne alındığında, bunun mikroplar kadar sık ortaya çıkması daha az olasıdır. [Yabancı Hayata Ev sahipliği Yapabilecek 10 Güneşdışı Gezegen]
TKF: Astrokimya alanı, var olup olmadığı sorusuna cevap vermemize nasıl yardımcı olacak? evrendeki yabancı yaşam?
EVD: Bu soruyu cevaplamamıza yardımcı olacak şey, gezegen dışı atmosferlerin kimyasını incelemek. Potansiyel olarak Dünya benzeri birçok gezegenimizi bulacağız. Bir sonraki adım, daha önce bahsettiğim spektral parmak izlerini gezegenlerin atmosferinde aramak olacak. Bu parmak izlerinde, özellikle "biyomoleküller" veya bir yaşam biçiminin varlığını gösterebilecek moleküllerin kombinasyonlarını arayacağız. Bu sadece su değil, oksijen, ozon, metan ve daha fazlası anlamına gelir.
Mevcut teleskoplarımız, dış gezegenlerin atmosferindeki parmak izlerini zar zor tespit edebiliyor. Bu yüzden, bugünkü her şeyden yaklaşık üç kat daha büyük bir aynaya sahip olan Extremely Large Telescope gibi yeni nesil dev zemin tabanlı teleskopları inşa ediyoruz. Bu ve diğer yeni enstrümanlar için bilim vakası yapmakla ilgileniyorum ve biyo-imzalar gerçekten en önemli hedeflerden biri. Astrokimyanın gideceği heyecan verici yön budur.
