I Hesten Hoved-tågen opdaget noget mærkeligt. Denne tåge, opkaldt efter dens silhuet, og at der er en udvidet sky af gas og støv 1500 lysår fra Jorden, hvor nye stjerner fødes. Dette er en af de mest genkendelige objekter på himlen, forskerne har undersøgt det godt. I 2011, har astronomer fra Institut for millimeter radio astronomy (IRAM), og andre steder igen er til det.
Med 30 meter IRAM-teleskopet i den spanske Sierra Nevada, studerede de to dele af den manke af en hest i radiofrekvenser. Nej, de blev ikke indsamlet billede af Hestens Hoved; de var interesseret i spektret — de læser lyset bryde ind i dets forskellige bølgelængder, afslører den kemiske sammensætning af tågen. På skærmen, kan disse data svarer til de byger af hjerte-skærm; hver peak angiver, at molekylet i tågen, der udsender lys af en bestemt bølgelængde.
Hvert molekyle i Universet skaber sin egen karakteristiske signatur, der er baseret på placeringen af protoner, neutroner og elektroner i det. De fleste af underskrifter på data fra hestehoved kan let forklares konventionelle kemiske stoffer: kulilte, formaldehyd, carbon neutral. Men der var også en lille ukendt på linje 89,957 gigahertz. Det var et mysterium — et molekyle, en helt ukendt science.
Straks efter modtagelsen af disse oplysninger, Evelyn Ruff fra Observatoriet i Paris og andre kemikere i sit team begyndte at fremsætte teorier om emnet af det molekyle, der kan skabe et signal. De konkluderede, at den ukendte type skal være et lineært molekyle — stof, hvor atomerne er arrangeret i en lige kæde. Og kun en bestemt type af lineære molekyler, der kunne producere en spektrale fingeraftryk, som kan ses af kemikere. Efter listen af sådanne molekyler, de snublede på C3H+, propenylidene. Denne molekylære ion aldrig havde set før. I virkeligheden, han var ikke engang meningen, at eksistere. Og hvis der var, ville det være yderst ustabil. På den Begrundelse, at han næsten med det samme ville reagere med noget andet og ville have dannet en velkendt form. Men i rummet, hvor trykket er lavt, og de molekyler, der sjældent kolliderer med noget, som du kan danne et forhold, C3H+ kan eksistere.
Rueff og hendes kolleger undersøgt, om Hesten Hoved-tågen til at indeholde de rigtige ingredienser og betingelser for dannelsen af dette molekyle. I 2012 har de offentliggjort en artikel i Astronomy & Astrophysics, hvor han konkluderede, at den signatur fundet mest sandsynligt C3H+. “Jeg var forholdsvis sikker på, siger Rueff. — Men det tog endnu to eller tre år til at overbevise alle om, at vi fik det rigtige”.
Ved første, nogle skeptikere udfordret denne konklusion — hvis C3H+ ingen har set før, hvor de er sikre på, at dette er det molekyle? Clincher kom sidste år, da forskere fra Universitetet i Köln, i Tyskland besluttet at oprette et stykke tid C3H+ i laboratoriet. De er ikke kun bevist, at molekylet findes, de gjorde det også muligt for forskere at måle dens spektrum, og det var den samme der var i Hestens Hoved. “Jeg var glad for at finde et molekyle, den eksistens, som vi ikke havde tænkt, siger Rueff. — Når du kan komme til denne konklusion ved hjælp af logik, du er en rigtig detektiv”.
Den ene mærkelige molekyle blev defineret, men der er stadig mange af disse. Hesten Hoved-tågen er ingen undtagelse. Næsten overalt i Universet, astronomer, hvor man kan se — medmindre, selvfølgelig, ser nøje, kan de se en usikker spektrale linjer. Forbindelse med, som vi mennesker kender, og som skaber et stort udvalg af materialer på denne planet, bare en del af det skabte natur. I slutningen, efter årtier med udvikling af teoretiske modeller og metoder, computersimuleringer og eksperimenter på reproduktion af nye molekyler, astrogemini begynde at give navne til en række af udefinerede linjer.
Tomme rum
Mest for nylig, i de 60 år, er de fleste forskere tvivl om, at i det interstellare rum kunne findes af molekyle — stråling, der skal være så alvorlige, at der ikke vil tillade, at der findes noget, der er mere atom par eller frie radikaler. I 1968, fysiker Charles Townes af University of California i Berkeley besluttede alligevel at se for molekyler i rummet. “Jeg havde en følelse af, at de fleste af Berkeley astronomer troede, at min idé lidt vilde,” mindes Townes, modtageren af Nobels fredspris i 2006. Men Townes aldrig gav op og byggede en ny forstærker til seks meter antenne radioobservatory Hat Creek i Californien, som afslørede tilstedeværelsen af ammoniak i Skytten B2 cloud. “Hvor nemt og hvor er det smukt. han skrev. Medier og akademikere har begyndt at diskutere”.
I de efterfølgende år, har astronomer opdaget mere end 200 forskellige typer af molekyler, svævende i rummet. Mange afveg meget fra det, vi har set på vores planet. Normalt kan vi gøre for kemi på grundlag af de betingelser, der er på Jorden, siger Ryan Fortenberry, østrogene Georgien syddansk Universitet. — Når vi kommer væk fra dette paradigme, det kemisk kan være skabe, uden nogen restriktioner. Hvis du forestiller dig et molekyle, uanset hvor mærkeligt, at der er en vis sandsynlighed for, at der efter det n ‘ te gang et sted i udkanten af den enorme plads, som den ser ud.”
Den plads, der er bogstaveligt talt et anderledes miljø. Temperaturerne kan være meget, meget højere end på Jorden (for eksempel, i stjernens atmosfære), og meget, meget lavere (i en forholdsvis tomme interstellare rum). På samme måde, blodtryk (høj eller lav) forskellige fra jorden. Derfor molekyler, der kan danne i rummet, den planet, kan ikke vises, hvis nogensinde — og hvis de vil, vi vil have høj aktivitet. “Det molekyle, der kan være år om at hænge ud i det interstellare rum, før de støder på et andet molekyle, siger Timothy Lee, astrophysics Research center på NASA Ames. — Der kan være en region uden stråling, så selv hvis molekylet er ikke stabil, det vil vare lang tid.”
Disse rum molekyler efter identifikation kunne have meget at lære os. Nogle af dem kan være nyttigt, hvis forskerne kan genskabe dem i laboratoriet og lære at bruge deres ejendomme. Andre molekyler, der kan hjælpe med en forklaring af oprindelsen af organiske komponenter, der gav anledning til livet på Jorden. De kan også udvide grænserne for vores viden om, hvad der er kemisk muligt i vores Univers.
Teleskoper, der vil ændre alt
I det seneste årti, hvor fremkomsten af nye kraftfulde teleskoper, der er i stand til at afsløre svage spektrale linjer, søgning af udenlandske molekyler accelereret. “Nu faktisk er blomstringen af astronomie, siger Suzanne Widicus weaver, styregruppen af astrochemical ved Emory University. Data, der er tilgængelig nu har forbedret sig dramatisk i løbet af ti år. High altitude Observatory NASA SOFIA (stratosfæren Observatorium for infrarød astronomi), der er monteret ombord på en Boeing 747SP, begyndte at observere i infrarødt lys og en mikrobølgeovn i 2010, og rumteleskop Herschel af den Europæiske rumorganisation, der gik i kredsløb i 2009 og overholder de samme bølgelængder.
Og er virkelig game-changing er Atamanskiy ALMA-teleskopet, en klynge af 66 radiologiske åbne i 2013. I en højde af i 5.200 meters højde på Chajnantor-højsletten, der svarer til Mars foretaget i dag kl ørkenen, de mest tørre sted i verden, er ALMA-antenner, der arbejder i fællesskab, kan indsamle lys kosmiske objekter. Utrolig mørk og gennemsigtig himlen, hvor praktisk der er ingen skyer, teleskopet giver en hidtil uset følsomhed og mulighed for at fange netop de bølgelængder fra infrarødt til radio. ALMA skaber en visuel og spektrale billede af hver pixel i deres billeder, der producerer titusindvis af spektrallinjer i hvert område af den observerede himlen. “Det overrasker og skaber begejstring på samme tid, siger Widicus weaver. — Disse datasæt er så enorme, at vi ofte er nødt til at sende deres forskere på flash-drev, så de kan hente dem”. Data stream giver en overflod af nye spektral-linjer, der er nødt til at se astronomiske. Men hvordan er usikker og fingeraftryk på gerningsstedet, disse linjer er ubrugelige til forskere, indtil de er klar over, hvad slags molekyler, de udgør.
I jagten på respekt
At identificere molekyler, der svarer til disse linjer, forskere kan gå to veje. Som i tilfælde af C3H+, astrogemini kan starte med den teori, ved hjælp af divination på spektrum til at forsøge at gætte, hvilket molekyle, der kan skjule sig under. Metode quantum kemi ab initio (ab initio Latin for “fra begyndelsen”) giver forskerne mulighed for at starte med ren kvantemekanikken er den teori, der beskriver den adfærd af subatomare partikler, til at beregne egenskaber af molekyler, der er baseret på udveksling af protoner, neutroner og elektroner i atomer og deres bestanddele. På en supercomputer, kan du køre gentagne simuleringer af molekyler, hver gang let at justere sin struktur og arrangement af partikler, og se på resultaterne at bestemme den optimale geometri af komponenter. “Quantum chemistry vi er ikke begrænset, der kan syntetisere, siger Fortenberry. — Vi er begrænset af størrelsen af de molekyler. Vi har brug for mere computerkraft til at lave beregninger”.
Forskerne kan også finde uigendrivelige beviser af nye molekyler, skabe dem i laboratoriet, og direkte ved at måle deres spektrale egenskaber. Den Generelle metode begynder med gaskammer, hvorigennem elektriciteten er gået. Elektron-strøm kan kollidere med gas-molekyle og bryde dens kemiske bindinger, skabe noget nyt. Forskere støtte gas ved meget lavt tryk, så alle nye kemiske stoffer, der har en chance for at leve et par øjeblikke, før du kolliderer med en anden molekyle og reagere. Forskerne har så skinner kamera lys af forskellige bølgelængder til at måle spektret af, hvad der er indeni. “Du kan være i en position, når de er fremstillet i laboratoriet fra den samme molekyle, der findes i rummet, men jeg ved ikke præcis hvad, sagde Michael McCarthy, en fysiker fra Harvard-Smithsonian astrophysical center. — Så du er overladt til at forsøge at udlede de elementære sammensætning af en kombination af forskellige eksperimenter med forskellige prøver”.
I 2006 McCarthy og hans kolleger har skabt et negativt ladet molekyle, C6H -, og ændrede sit sortiment. Snart efter fandt de den samme spektrale aftryk i det interstellare molekylær sky af Tyren ved 430 lysår væk. Tidligere søgninger af negativt ladede partikler i rummet til alt, ikke fører derfor, at mange forskere i tvivl om, at de findes i betydelige mængder. “Dette har ført os til mange opdagelser, takket være hvilken vi kan identificere molekyler i laboratoriet og derefter i rummet,” siger McCarthy. Holdet har da fundet C6H – i mange, mere end et dusin kosmiske kilder.
I 1980’erne, i et forsøg på at skabe nye kemikalier, forskere har produceret et molekyle. (36ArH+), weird-forbindelse, som ikke findes på Jorden, herunder brint i inert gas er argon. I 2013 har astronomer fundet Argonia i rummet, først i krabbe-tågen, og senere i en fjern galakse observationer med ALMA. Forbindelser med ædle gasser, der dannes kun under meget særlige omstændigheder; forskere mener, at i rum med høj energi partikler — de kosmiske stråler — argon ansigt og bankede ham til de elektroner, der giver dem mulighed for at forbinde med brint. Af denne grund, hvis forskerne se Argonia i nogle område af rummet, de mener, at dette område er fyldt med kosmiske stråler. “Dette er en specifik indikator for visse betingelser, en meget vigtig ting i rummet,” siger Holger müller fra Universitetet i Köln.
Ny verden af molekyler
Mange af de molekyler, der lurer i stjerner og stjernetåger, til yderst mærkeligt. Spørg hvordan de vil se ud, eller hvad der vil være til at røre, er ubrugelige, fordi selv hvis du afhentning, vil de øjeblikkeligt reagere. Hvis du stadig ikke er i stand til at kontakte dem, vil de næsten helt sikkert vise sig at være giftige og kræftfremkaldende. Mærkeligt nok, har forskerne en idé om, hvordan det vil lugte nogle andre folks molekyler: mange af dem hører til den klasse af aromatiske forbindelser, benzen derivater, som oprindeligt delte navn med en stærk lugt.
Nogle af de nye forbindelser demonstrere overraskende atomare struktur og dele ansvaret mellem atomer på en mærkelig måde. Nogle gange er de spørgsmålstegn ved den moderne teori for molekylær binding. Et nyligt eksempel er det molekyle SiCSi fundet i 2015 i en døende stjerne, der består af to silicium atomerne i et kulstof-atom, som er forbundet på en uventet måde. Resultatet er sådan en mærkelig molekyle, som har en spektrale signatur forskellige fra dem, der forudser en fælles teoretisk model.
Plads af et molekyle, der kan hjælpe os med at besvare et af de mest grundlæggende spørgsmål i Universet: hvordan livet begyndte? Forskerne ved ikke, hvor det oprindeligt opstod aminosyrer, byggestenene til liv på Jorden eller i rummet (og efter at du er blevet bragt til vores planet fra kometer og meteoritter). Svaret på dette spørgsmål kan også fortælle om mange af de aminosyrer, der er i Universet, kan de teoretisk til soens liv på myriader af andre exoplaneter. Astrogemini har bemærket tegn på tilstedeværelsen af aminosyrer i rummet, og forbindelsen af de molekyler, der ligger til grund for dem.
Endelig er det muligt, at nogle sjældne arter kan vise sig nyttigt, hvis de kan dannes i store nok mængder og være i stand til at opretholde under kontrollerede forhold. “Et af de store håb for astronomie er at finde molekyler, der vil have helt nye egenskaber, og som vi kan anvende til at løse klodens problemer,” siger Fortenberry.
Et godt eksempel på et molekyle, “fullerener”. Disse store Samling af 60 carbon-atomer, der først blev skabt i laboratoriet i 1985 (og bragte en Nobelpris). Efter næsten ti år, har astronomerne set den spektrale linjer i det interstellare gas, hvilket præcis er angivet de positivt ladede version af fullerener, og dette forhold blev bekræftet i juli, når forskerne sammenlignede de signaturer med et spektrum af fullerener, der er blevet skabt i cosmoshopping betingelser i laboratoriet. Senere fullerener var ikke bare en mærkelig plads opdagelse, og det er en anstændig praktiske værktøj for nanoteknologi, der er nyttig for byggematerialer, forbedre solceller, og endda i lægemidler.
Så langt, astrogemini stadig plasker i vandkanten af en stor sø af molekyler, der er et sted i rummet. Deres resultater minde os om, at vores eget hjørne af rummet er forholdsvis små — kan være små, ikke er væsentligt, kun et eksempel på de muligheder. Måske har de molekyler, som vi har på Jorden, er faktisk eksotiske og C3H+, fullerener og andre endnu ukendte molekyler — normal materielle univers.