Skomplikowana cząsteczka w kosmosie

W międzygwiazdowych obłokach o bardzo małej gęstości naukowcom udało się znaleźć cząsteczkę chemiczną o nieoczekiwanie złożonej strukturze. Odkrycie zmusza do zmiany sposobu myślenia o procesach chemicznych zachodzących w pozornie pustych obszarach Galaktyki.

Przezroczyste obłoki materii międzygwiazdowej są penetrowane przez wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe i kosmiczne, zdolne rozbić każdą napotkaną cząsteczkę chemiczną. Jednak grupie naukowców, której trzon stanowią polscy astrofizycy i astrochemicy, udało się zaobserwować w takich obłokach cząsteczkę zbudowaną z niespodziewanie dużej liczby atomów: kation dwuacetylenu. Jego znalezienie w gazowo-pyłowych obłokach o małej gęstości może przyczynić się do rozwikłania najstarszej nierozwiązanej zagadki spektroskopii. Badania z użyciem 8-metrowego teleskopu w Paranal Observatory w Chile przeprowadził zespół naukowców z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie oraz Uniwersytetu w Seulu. Grupą kieruje prof. dr hab. Jacek Krełowski z Centrum Astronomii UMK.

Gęstość przezroczystych obłoków międzygwiazdowych jest ekstremalnie mała. – Rozcieńczenie materii w takich obłokach odpowiada gęstości otrzymanej w wyniku rozprowadzenia jednej szklanki powietrza w pustym sześcianie o podstawie mającej powierzchnię małego kraju. To znacznie mniej od najlepszej próżni wytwarzanej w laboratoriach – wyjaśnia jeden ze współodkrywców, doc. dr hab. Robert Kołos z Zespołu Astrochemii Laboratoryjnej IChF PAN.

Obłoki międzygwiazdowe mają jednak ogromne rozmiary, nawet do kilkudziesięciu lat świetlnych, dlatego znajdujące się w nich cząsteczki mają szansę oddziaływać z penetrującym obłok promieniowaniem elektromagnetycznym. Badaniem oddziaływań promieniowania z materią zajmuje się dział nauki zwany spektroskopią.

Cząsteczki pochłaniają i emitują fotony wyłącznie o określonych energiach (a zatem i długościach fal), odpowiadających różnicom między poziomami energetycznymi charakterystycznymi dla danej cząsteczki. Zatem wskutek oddziaływania z rozrzedzonymi gazami w przezroczystych obłokach, powszechnymi w naszej i innych galaktykach, światło gwiazd dociera do Ziemi nieco zmienione. Brakuje w nim fal o pewnych długościach – tych, które zostały zaabsorbowane przez atomy i cząsteczki chemiczne znajdujące się po drodze.

W latach 20. ubiegłego wieku astrofizycy zaobserwowali, że światło jest pochłaniane przez ośrodek międzygwiazdowy w sposób, którego nie udało się wyjaśnić obecnością wówczas znanych, bardzo prostych składników gazu międzygwiazdowego. Dzisiaj za pomocą fal radiowych wykrywa się cząsteczki dość duże – rekordzistą jest liczący 13 atomów cyjanopoliacetylen HC11N – ale rodzą się one wewnątrz gęstych, nieprzezroczystych obłoków, gdzie są chronione przed niszczącym promieniowaniem.

– Osobliwe właściwości optyczne obłoków przezroczystych, związane z obecnością tzw. rozmytych linii absorpcji międzygwiazdowej DIB, czyli Diffuse Interstellar Bands, pozostają tajemnicą od prawie 90 lat. Zyskały nawet miano najstarszej nierozwiązanej zagadki spektroskopii – stwierdza prof. Krełowski, autorytet w dziedzinie spektroskopii optycznej ośrodka międzygwiazdowego.

Obecne odkrycie pozwoliło dodać do zbioru DIB nową linię i zarazem zidentyfikować ją jako pochodzącą od kationu dwuacetylenu H-CC-CC-H+. – Dwuacetylen jest cząsteczką nieoczekiwanie dużą jak na przezroczyste obłoki międzygwiazdowe. Dotychczas znajdowano tam połączenia co najwyżej trzech atomów: węgla C3 i wodoru H3+. Aby wyjaśnić obecność kationu dwuacetylenu, będziemy musieli zweryfikować obecne modele astrochemiczne – dodaje doc. Kołos.

Cząsteczki o budowie niesymetrycznej – takiej jak wspomniany cyjanopoliacetylen: liniowy ciąg atomów węgla zakończony z jednej strony wodorem, z drugiej azotem – są zdolne do emitowania lub pochłaniania fal radiowych. Kation dwuacetylenu pozostawał długo nieuchwytny, ponieważ jest symetryczny, a zatem niewidzialny dla radioteleskopów. Obecne obserwacje optyczne sugerują jednak, że jest to dość pospolity składnik ośrodka międzygwiazdowego. Widać go nie tylko w dwóch obszarach Galaktyki znanych ze szczególnie dużej zawartości węgla, lecz ujawnił się także po uśrednieniu danych z kilkunastu innych kierunków obserwacji.

Dzięki detekcji kationu dwuacetylenu można przypuszczać, że wśród rozmytych linii międzygwiazdowych są i inne pochodzące od podobnych, symetrycznych cząsteczek. – Wydaje się prawdopodobne, że zagadka DIB zostanie wkrótce w istotnej części wyjaśniona – podsumowuje prof. Krełowski.

Źródło: IChF PAN