En konstnärs intryck av Herschel Space Observatory med dess observationer av stjärnbildningen i Rosette Nebula i bakgrunden.
(Bild: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, författare och redaktör för The Kavli Foundation, bidrog med denna artikel till Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Från serendipitösa campingresor till smidande internationellt samförstånd om observatörer med stora budgetar diskuterar 2018 Kavli-prisvinnaren hennes personliga och professionella resa till astrokemi.
INTE ALLT RYMD ÄR SOM EN BARRENPLATS. Galaxer är fyllda av dammiga moln som innehåller rika grytor av molekyler, allt från enkel vätgas till komplexa organiska ämnen som är kritiska för livets utveckling. Att fatta hur alla dessa kosmiska ingredienser blandas i bildandet av stjärnor och planeter har varit livsarbetet för Ewine van Dishoeck.
Van Dishoeck, kemist som tränar, vände snart ögonen mot kosmos. Hon var banbrytande på många framsteg inom det framväxande området astrokemi och utnyttjade de senaste teleskopen för att avslöja och beskriva innehållet i stora stjärnbärande moln. Parallellt genomförde van Dishoeck laboratorieexperiment och kvantberäkningar på Terra Firma att förstå nedbrytningen av kosmiska molekyler efter stjärnbelysning, liksom förhållandena under vilka nya molekyler staplar ihop som Lego-tegelstenar. [8 Baffling Astronomy Mysteries]
"För hennes kombinerade bidrag till observations-, teoretiska och laboratorie-astrokemi, som klargjorde livscykeln för interstellära moln och bildandet av stjärnor och planeter," van Dishoeck fick 2018 Kavli-priset i astrofysik. Hon är bara den andra pristagaren inom något område som har utmärkts som en enda mottagare av priset över dess historia.
För att lära sig mer om sin banbrytande karriär inom astrokemi och vad som är nästa för fältet, talade The Kavli Foundation med van Dishoeck från sitt kontor vid Leiden Observatory vid University of Leiden i Nederländerna, strax innan hon deltog på en personalgrill. Van Dishoeck är professor i molekylär astrofysik och den valda presidenten för International Astronomical Union (IAU).
Följande är ett redigerat transkript av rundbordsdiskussionen. Van Dishoeck har fått möjlighet att ändra eller redigera sina kommentarer.
KAVLI-GRUNDEN: Vad berättar astrokemi om oss själva och universum vi lever i?
EWINE VAN DISHOECK: Den övergripande historien som berättas av astrokemi är, vad är vårt ursprung? Var kommer vi ifrån, hur byggdes vi? Hur bildades vår planet och sol? Det leder till slut att vi försöker upptäcka de grundläggande byggstenarna för solen, jorden och oss. Det är som Legos - vi vill veta vilka delar som fanns i Lego-byggnaden för vårt solsystem.
De mest grundläggande byggstenarna är naturligtvis de kemiska elementen, men hur dessa element kombineras för att skapa större byggstenar - molekyler - i rymden är avgörande för att förstå hur allt annat blev.
TKF: Du och andra forskare har nu identifierat mer än 200 av dessa molekylära byggstenar i rymden. Hur har fältet utvecklats under din karriär?
EVD: På 1970-talet började vi finna att mycket ovanliga molekyler, som joner och radikaler, är relativt rikliga i rymden. Dessa molekyler saknas eller har oparade elektroner. På jorden kvarstår de inte länge eftersom de snabbt reagerar med någon annan sak de möter. Men eftersom utrymmet är så tomt kan joner och radikaler leva i tiotusentals år innan de stöter på något.
Nu går vi mot att identifiera molekylerna som finns i hjärtat av regionerna där nya stjärnor och planeter bildas, just nu. Vi kommer förbi att se isolerade joner och radikaler till mer mättade molekyler. Dessa inkluderar organiska [kolinnehållande] molekyler i de enklaste formerna, som metanol. Från den grundläggande metanolbyggnaden kan du bygga upp molekyler som glykolaldehyd, som är ett socker, och etylenglykol. Båda dessa är "prebiotiska" molekyler, vilket innebär att de är nödvändiga för eventuell bildning av livets molekyler.
Där astrokemifältet rör sig nästa är bort från att ta en inventering av molekyler och mot att försöka förstå hur dessa olika molekyler bildas. Vi försöker också förstå varför vi kan hitta större mängder av vissa molekyler i speciella kosmiska regioner kontra andra slags molekyler.
TKF: Det du just sa fick mig att tänka på en analogi: Astrokemi handlar nu mindre om att hitta nya molekyler i rymden - på samma sätt som zoologer som söker nya djur i djungeln. Fältet handlar nu mer om "ekologin" om hur dessa molekylära djur interagerar, och varför det finns så många av en viss typ här ute i rymden, men så få där borta, och så vidare.
EVD: Det är en bra analogi! När vi börjar förstå fysiken och kemin för hur stjärnor och planeter bildas, är en viktig del att räkna ut varför vissa molekyler finns i många interstellära regioner, men är "utrotade", precis som djur kan vara, i andra regioner.
Om vi fortsätter din metafor, finns det verkligen många intressanta interaktioner mellan molekyler som kan liknas med djurens ekologi. Till exempel är temperatur en styrande faktor i beteende och interaktioner mellan molekyler i rymden, vilket också påverkar djurens aktivitet och var de bor, och så vidare.
TKF: Återgår till byggstenens idé, hur fungerar uppbyggnadsprocessen i astrokemi exakt?
EVD: Ett viktigt koncept för att bygga molekyler i rymden är ett som vi känner från vardagen här på jorden, kallad fasövergångar. Det är när ett fast ämne smälter till en vätska, eller en vätska avdunstar till gas, och så vidare.
Nu i rymden har varje molekyl sin egen "snölinje", som är uppdelningen mellan en gasfas och en fast fas. Så till exempel har vatten en snölinje, där det går från vattengas till vattenis. Jag bör påpeka att flytande former av element och molekyler inte kan existera i rymden eftersom det finns för lite tryck; vatten kan vara flytande på jorden på grund av trycket från planetens atmosfär.
Tillbaka till snölinjerna upptäcker vi nu att de spelar en mycket viktig roll i planetbildning, och kontrollerar mycket av kemin. En av de viktigaste Lego-byggstenarna, så att säga, som vi hittat är kolmonoxid. Vi känner till kolmonoxid på jorden eftersom den till exempel produceras i förbränning. Mina kollegor och jag har visat på laboratoriet i Leiden att kolmonoxid är utgångspunkten för att göra många mer komplexa organiska utrymmen. Kolmonoxid som fryser ut från en gas till en fast fas är ett avgörande första steg för att sedan lägga till Lego-byggstenar av väte. Om du gör det kan du fortsätta bygga större och större molekyler som formaldehyd [CH2O], sedan metanol, vidare till glykolaldehyd som vi diskuterade, eller så kan du till och med gå till mer komplexa molekyler som glycerol [C3H8O3].
Det är bara ett exempel, men det ger dig en känsla av hur en uppbyggnadsprocess spelar ut inom astrokemi.
TKF: Du nämnde just ditt laboratorium vid Leiden Observatory, the Sackler Laboratory for Astrophysics, som jag förstår har en distinktion som det första astrofysiklaboratoriumet. Hur blev det och vad har du uppnått där?
EVD: Det är rätt. Mayo Greenberg, en banbrytande astrokemist, startade labbet på 1970-talet och det var verkligen det första i sitt slag för astrofysik i världen. Han gick i pension och sedan fortsatte jag labbet. Jag blev så småningom chef för detta laboratorium i början av 1990-talet och stannade så tills omkring 2004, då en kollega antog ledarskap. Jag samarbetar fortfarande och kör experiment där.
Vad vi har lyckats uppnå i labbet är de extrema rymdförhållandena: dess kyla och dess strålning. Vi kan återge temperaturerna i rymden ner till 10 kelvin [minus 442 grader Fahrenheit; minus 260 grader Celsius], som bara är en liten bit över absolut noll. Vi kan också återskapa den intensiva ultravioletta strålningen i stjärnbelysning som molekyler utsätts för i områden med ny stjärnbildning. [Star Quiz: Test Your Stellar Smarts]
Där vi misslyckas är emellertid att reproducera tomrummet i rummet, vakuumet. Vi anser att ett ultrahögt vakuum i labbet är i storleksordningen 108 till 1010 [hundra miljoner till tio miljarder] partiklar per kubikcentimeter. Det astronomer kallar ett tätt moln, där stjärn- och planetbildning bildas, har bara cirka 104eller cirka 10 000 partiklar per kubikcentimeter. Det betyder att ett tätt moln i rymden fortfarande är en miljon gånger tömare än det bästa vi kan göra i labbet!
Men detta fungerar till slut till vår fördel. I det yttersta vakuumet i rymden rör sig den kemi vi är intresserad av att förstå mycket, mycket långsamt. Det kommer helt enkelt inte att göra i labbet, där vi inte kan vänta i 10 000 eller 100 000 år på att molekylerna stöter på varandra och interagerar. Istället måste vi kunna reagera på en dag för att lära oss någonting på tidsskalorna i en humanvetenskaplig karriär. Så vi påskyndar allt och kan översätta det vi ser i labbet till de mycket längre tidsskalorna i rymden.
TKF: Utöver labbarbetet har du under din karriär använt en mängd teleskop för att studera molekyler i rymden. Vilka instrument var viktiga för din forskning och varför?
EVD: Nya instrument har varit avgörande under hela min karriär. Astronomi drivs verkligen av observationer. Att ha allt kraftfullare teleskop i nya våglängder i ljus är som att titta på universum med olika ögon.
För att ge dig ett exempel kom jag i slutet av 1980-talet tillbaka till Nederländerna när landet var starkt involverat i Infraröd rymdobservatorium, eller ISO, ett uppdrag som leddes av Europeiska rymdorganisationen [ESA]. Jag kände mig väldigt lycklig att någon annan hade gjort det hårda arbetet i 20 år för att göra det teleskopet till verklighet och jag kunde glatt använda det! ISO var mycket viktigt eftersom det öppnade upp det infraröda spektrumet där vi kunde se alla dessa spektrala signaturer, som kemiska fingeravtryck, av is inklusive vatten, som spelar stora roller i stjärn- och planetbildning och i vattens fall, är naturligtvis avgörande för livet. Det var en bra tid.
Nästa väsentliga uppdrag var Herschel Space Observatory, som jag personligen engagerade mig som doktorand redan 1982. Från kemissidan var det tydligt att Herschel var ett främsta uppdrag för interstellära molekyler, och särskilt att "följa vattenled. " Men först måste vi lägga fram vetenskapssaket till ESA. Jag gick till USA i ett antal år och fick liknande diskussioner där, där jag hjälpte till att göra vetenskapssaket för Herschel till amerikanska finansieringsbyråer. Det var ett stort tryck tills uppdraget slutligen godkändes i slutet av 1990-talet. Sedan tog det fortfarande 10 år att bygga och lansera, men vi fick äntligen våra första uppgifter i slutet av 2009. Så från 1982 till 2009 - det var en lång körning! [Foton: Herschel Space Observatory's Amazing Infrared Images]
TKF: När och var rotade dina kärlekar till rymden och kemi?
EVD: Min huvudkärlek var alltid molekyler. Det började på gymnasiet med en mycket bra kemilärare. Mycket beror på riktigt bra lärare, och jag tror inte att folk alltid inser hur viktigt det är. Jag förstod först när jag kom till college att fysik var lika roligt som kemi.
TKF: Vilken akademisk väg tog du för att till slut bli astrokemist?
EVD: På Leiden universitet gjorde jag min magisterexamen i kemi och var övertygad om att jag ville fortsätta med teoretisk kvantkemi. Men professorn på det området i Leiden hade dog. Så jag började leta efter andra alternativ. Jag visste verkligen inte så mycket om astronomi då. Det var min dåvarande pojkvän och nuvarande make, Tim, som just hade hört en uppsättning föreläsningar om det interstellära mediet, och Tim sa till mig: "Du vet, det finns också molekyler i rymden!" [Skratt]
Jag började undersöka möjligheten att göra en avhandling om molekyler i rymden. Jag gick från en professor till en annan. En kollega i Amsterdam berättade för mig att för att verkligen komma in i astrokemi måste jag åka till Harvard för att arbeta med professor Alexander Dalgarno. Som det hände, resade Tim och jag sommaren 1979 i Kanada för att delta i en generalförsamling för International Astronomical Union i Montreal. Vi fick reda på att satellitmöten hölls före generalförsamlingen, och ett av dem höll faktiskt i denna specifika park där Tim och jag campade. Tanken vi hade var, "Tja, kanske vi borde ta tillfället i akt och gå och se denna professor Dalgarno redan!"
Naturligtvis hade vi allt detta campingutrustning och kläder, men jag hade en ren kjol med mig som jag tog på. Tim körde mig till satellitmötet, vi hittade min kollega från Amsterdam, och han sa, "Åh, bra, jag kommer att presentera dig för professor Dalgarno." Professorn tog mig utanför, vi pratade i fem minuter, han frågade mig vad jag hade gjort, vad mina astrokemiska kunskaper var, och sedan sa han, "Låter intressant; varför kommer du inte att jobba för mig?" Det var uppenbarligen ett viktigt ögonblick.
Det var så det hela kom igång. Jag har aldrig ångrat ett ögonblick sedan.
TKF: Fanns det andra viktiga ögonblick, kanske tidigt i din barndom som gjorde dig på väg till att bli forskare?
EVD: Faktiskt ja. Jag var ungefär 13 år gammal och min far hade precis ordnat en sabbatsdag i San Diego, Kalifornien. Jag lämnade min gymnasium i Nederländerna, där vi mestadels hade fått lektioner i latin och grekisk och naturligtvis en del matematik. Men vi hade inget ännu vad gäller kemi eller fysik, och biologi började inte förrän minst ett eller två år senare.
På gymnasiet i San Diego bestämde jag mig för att studera ämnen som var mycket olika. Jag tog spanska, till exempel. Det fanns också möjlighet att göra vetenskap. Jag hade en mycket bra lärare, som var en afroamerikansk kvinna, som vid tiden 1968 var ganska ovanlig. Hon var bara väldigt inspirerande. Hon hade experiment, hon hade frågor och hon lyckades verkligen dra mig in i vetenskapen.
TKF: Ser nu fram emot löften från Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), som öppnade för flera år sedan och är bland de mest ambitiösa och dyra markbaserade astronomiprojekt som någonsin har genomförts. Astrofysiker Reinhard Genzel krediterar dig med att hjälpa till att skapa den internationella konsensus bakom detta observatorium. Hur gjorde du saken för ALMA?
EVD: ALMA har varit en fantastisk framgång som premiärobservatoriet i det här speciella intervallet millimeter- och submillimeterljus som är ett viktigt fönster för att observera molekyler i rymden. Idag består ALMA av 66 radioteleskoper med 7- och 12-meters konfigurationer som sträcker sig över en hög höjd i Chile. Det var en väldigt lång väg att komma dit vi är nu!
ALMA är resultatet av många tusentals människors drömmar. Jag var en av två ledamöter från europeisk sida i den amerikanska vetenskapliga rådgivande kommittén för ALMA. Jag kände det nordamerikanska vetenskapssamhället väl från mina sex år som arbetade i USA. De två sidorna, liksom Japan, hade mycket olika begrepp för ALMA. Européerna tänkte på ett teleskop som skulle kunna användas för djup, mycket tidigt universumskemi, medan nordamerikanerna tänkte mycket mer på storskalig, högupplöst bildavbildning; en grupp talade om att bygga åtta meter teleskop, den andra om 15 meter teleskop. [Meet ALMA: Amazing Photos from Giant Radio Telescope]
Så jag var en av de människor som hjälpte till att föra dessa två argument. Jag sa: "Om du bygger en mycket större grupp, vinner vi alla." Planen blev att föra samman ett större antal teleskop i en grupp, snarare än i separata matriser, som inte är lika kraftfulla. Och det var vad som hände. Vi sätter tonen i att arbeta tillsammans på detta fantastiska projekt snarare än att vara konkurrenter.
TKF: Vilka nya gränser öppnar ALMA inom astrokemi?
EVD: Det stora hoppet som vi gör med ALMA är i rumslig upplösning. Tänk dig att titta på en stad ovanifrån. De första Google Earth-bilderna var mycket dåliga - du kunde knappt se något; en stad var en stor klump. Sedan dess har bilderna blivit skarpare och skarpare eftersom den rumsliga upplösningen har förbättrats med kamerorna ombord på satelliter. Numera kan du se kanalerna [i holländska städer], gatorna, till och med enskilda hus. Du kan verkligen se hur hela staden är sammansatt.
Samma sak händer nu med planets födelseplatser, som är dessa små skivor runt unga stjärnor. Dessa skivor är hundra till tusen gånger mindre än molnen vi tidigare har tittat på där stjärnor föds. Med ALMA zoomar vi in i regionerna där nya stjärnor och planeter bildas. Det är verkligen de relevanta skalorna för att förstå hur dessa processer fungerar. Och ALMA har unikt de spektroskopiska förmågorna att upptäcka och studera ett mycket brett spektrum av molekyler som är involverade i dessa processer. ALMA är ett fantastiskt steg framåt från allt vi har haft tidigare.
TKF: De nya teleskop som du har använt under din karriär har visat sig vara extraordinära. Samtidigt är vi fortfarande begränsade till vad vi kan se i kosmos. När du tänker framåt på framtida generationer av teleskop, vad är det du hoppas mest att se?
EVD: Nästa steg i vår forskning är James Webb Space Telescope [JWST], som skulle lanseras 2021. Med JWST ser jag verkligen fram emot att se organiska molekyler och vatten i ännu mindre skalor och i olika delar av planeten- bildningszoner än vad som är möjligt med ALMA.
Men ALMA kommer att vara avgörande för vår forskning under en lång tid framöver - ytterligare 30 till 50 år. Det finns fortfarande så mycket vi behöver upptäcka med ALMA. ALMA kan dock inte hjälpa oss att studera den inre delen av en planetbildande skiva, på skalan där vår jord bildades, bara ett kort avstånd från solen. Gasen på disken är mycket varmare där, och det infraröda ljuset som den avger kan fångas av ett instrument som mina kollegor och jag har hjälpt till att implementera för JWST.
JWST är det sista uppdraget som jag har arbetat med. Återigen var det av en slump att jag engagerade mig, men jag var i en bra position med mina amerikanska partners och kollegor för att hjälpa. Ett antal av oss från europeiska och amerikanska sidor kom samman och sa: "Hej, vi vill få detta instrument att hända och vi kan göra det i ett 50/50 partnerskap."
TKF: Med tanke på ditt arbete med byggstenarna som utgör stjärnor och planeter, verkar kosmos kosbar eller till och med gynnsam för livet?
EVD: Jag säger alltid att jag tillhandahåller byggstenarna, och sedan är det upp till biologi och kemi att berätta resten av historien! [Skratt] I slutändan betyder det vilken typ av liv vi pratar om. Pratar vi bara om det mest primitiva, encelliga livet som vi vet uppstod snabbt på jorden? Med tanke på alla ingredienser som vi har tillgängliga, finns det ingen anledning till att det inte skulle kunna uppstå på någon av de miljarder exoplaneter som vi nu vet kretsar runt miljarder andra stjärnor.
När vi går till nästa steg i det flercelliga och i slutändan intelligenta livet, förstår vi väldigt lite hur det kommer ut från enklare liv. Men jag tror att det är säkert att säga med tanke på komplexitetsnivån, är det mindre troligt att det kommer att uppstå så ofta som, säger, mikrober. [10 exoplaneter som kan vara värd för främmande liv]
TKF: Hur kommer astrokemi att hjälpa oss att svara på frågan om det finns det främmande liv i universum?
EVD: Att studera kemi i exoplanetatmosfärer är det som hjälper oss att besvara den här frågan. Vi kommer att hitta många potentiellt jordliknande exoplaneter. Nästa steg kommer att vara att leta efter spektrala fingeravtryck, som jag nämnde tidigare, i planeternas atmosfär. I dessa fingeravtryck letar vi specifikt efter "biomolekyler" eller kombinationer av molekyler som kan indikera förekomsten av någon form av liv. Det betyder inte bara vatten utan syre, ozon, metan och mer.
Våra nuvarande teleskop kan knappt upptäcka dessa fingeravtryck i exoplaneternas atmosfär. Det är därför vi bygger nästa generation gigantiska markbaserade teleskop, som det extremt stora teleskopet, som kommer att ha en spegel som är ungefär tre gånger så stor som vad som helst i dag. Jag är involverad i att göra vetenskapssaken för det och andra nya instrument, och biosignaturer är verkligen ett av de bästa målen. Det är den spännande riktningen där astrokemi kommer att gå.
