Molekuly mezi hvězdami
25. 5. 2012
Vesmír. Tajemství, které děsí svou velikostí a množstvím nezodpovězených otázek. Mezi galaxiemi, hvězdami a planetami je zdánlivé prázdno. Vakuum, tedy absolutní nic. Ale je tomu opravdu tak? Není. Je tam především ohromné množství prachu, které daleko předčí hmotu všech ostatních kosmických těles. A vědce fascinuje, že v kosmu jsou molekuly podobné těm na Zemi. Zjistili to na základě skutečnosti, že každý objekt ve vesmíru vydává elekromagnetické záření. A právě to měří i skupina vědců a studentů z Ústavu analytické chemie při Vysoké škole chemicko-technologické v Praze.
Tajemný vesmír. Děsí nás svou velikostí a množstvím
nezodpovězených otázek. Vesmír viditelný
ze Země tvoří kouli o poloměru čtrnácti miliard světelných
let. Právě tak dlouho k nám cestuje světlo až z nejvzdálenějších
koutů.
Podle odhadů se v pozorovatelném vesmíru rovnoměrně rozkládá kolem tří set triliard hvězd. Za nejbližší sousední galaxií Andromedou bychom cestovali až dva milióny světelných let. Mezi galaxiemi, hvězdami, planetami a dalšími vesmírnými útvary je zdánlivé prázdno. Vakuum, tedy absolutní nic. Ale je tomu opravdu tak?
Není. Je tam především ohromné množství prachu, které daleko předčí hmotu všech ostatních kosmických těles. Prachu je tolik, že nám dokonce znemožňuje kvalitnější pozorování vesmíru. V mezihvězdném prostoru o teplotě pouhých několika desetin stupňů nad absolutní nulou se nachází ale i nejrůznější molekuly.
A vědce fascinuje, že v kosmu jsou molekuly podobné těm na Zemi. Zjistili to na základě skutečnosti, že každý objekt ve vesmíru vydává elekromagnetické záření. A právě to měří i skupina vědců a studentů z Ústavu analytické chemie při Vysoké škole chemicko-technologické v Praze.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha: Cílem práce tady v této laboratoři je měření mikrovlnných spekter, což je měření v oblasti radarového záření, v oblasti záření, které leží za infračervenou oblastí. Toto záření je velmi pronikavé, protože při délce vlny okolo centimetru, decimetru je schopno projít jakýmkoli prostorem, který je zaprášený. Toto záření je schopno obejít některé předměty a vidět i za ně a má tu výhodu, že prochází až na samý konec vesmíru, až těch čtrnáct miliard světelných let na konec.
Každý objekt vydává své vlastní charakteristické záření. To pak nese informaci o svém zdroji. A nese ji dlouho. Musí se totiž počítat se zpožděním o dobu – a tedy i vzdálenost, kterou překonává při cestě k Zemi. Informace tedy mohou být staré třeba několik miliard let. Ve srovnání s tím je historie člověka jen drobným okamžikem.
Elektromagnetické záření charakterizuje intenzita, vlnová délka, nebo frekvence. Rozložíme-li záření podle vlnových délek, obdržíme spektrum. Analýzou spektra vědci dokážou určit chemické složení, teplotu nebo pohyb zdroje záření. A tento zdroj může být kdekoli, i ve vzdáleném vesmíru
Na počátku spektroskopie stojí český učenec Jan Marek Marků, který již v roce 1648 vydává knihu Thaumantias, kde popisuje své experimenty s rozkladem světla. Také vysvětluje duhu jako dvojlom světla na kapičkách vody. Tajemství světla pak poodkrývá v roce 1812 Joseph von Frauenhofer, kterému se daří rozložit sluneční záření na jednotlivé složky.
Elektromagnetické záření zahrnuje spektrum od nejkratších délek, tedy velmi tvrdého gama záření, až po vlny delší než je naše galaxie. Uprostřed najdeme viditelné spektrum, od červené přes zelenou, žlutou a modrou až k fialové. V neviditelné části je za fialovou ultrafialové, rentgenové a gama záření. Na druhé straně za červenou je infračervené, mikrovlnné a radiové záření.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha: Záření, které dopadá na Zemi z vesmíru, vzniká v různých zdrojích. Můžou to být hvězdy, může to být záření z horkých objektů, jako jsou vybuchující supernovy, ale může to být i naprosto chladná hmota.
Záření dopadající na Zemi obsahuje informaci nejen o objektu, který ho vysílá, ale i o prostředí, kterým prochází. Záření z hvězd mezihvězdný prostor doslova prosvěcuje. Molekuly v něm však záření pozmění. Na Zemi jej pak vědci pomocí spektrálních zařízení rozloží a analyzují. Zároveň je také každá molekula v kosmickém prostoru zdrojem vlastního spektra. I to lze na Zemi zachytit.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha: Každá taková molekula, pokud není v základním stavu, tak je schopna vyzařovat. Je schopna vyzařovat záření o naprosto přesně definovaných vlnových délkách, nebo chcete-li, frekvencích. Podle tohoto záření mohou být molekuly identifikovány na jakoukoli vzdálenost s naprostou přesností.
Měřicí přístroje umístěné na Zemi ale nejsou schopny analyzovat záření o všech vlnových délkách. Naše atmosféra totiž nepropouští velkou část ultrafialového záření a části infračervené oblasti. Naopak nízkofrekvenční mikrovlnné záření se dostává na povrch Země prakticky neporušené.
Ke sledování těch oblastí spektra, které atmosféra nepropouští, slouží nejrůznější satelity na oběžné dráze naší planety. Například satelit Newton byl před dvěma lety instalován pro detekci rentgenového záření. Satelit Herschel zase sleduje infračervené záření.
Každé spektrum je pro každý objekt, molekulu nebo atom jedinečné. Neexistují dvě stejná spektra pro dvě různé látky. Pravděpodobnost, že by spektra byla téměř stejná, je mnohem nižší, než shoda otisků prstů dvou různých osob.
Antény, které přijímají signály z vesmíru, mají průměr až sto metrů a dokážou zachytit záření z nejvzdálenějších míst kosmu. Anténa stojící u německého Bonnu pomohla odhalit přítomnost organických a anorganických molekul v souhvězdí Orion.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha
Prostřednictvím mikrovlnných spekter byly ve vesmíru pozorovány řady molekul, od těch nejjednodušších, jako jsou dvouatomové molekuly, přes složitější jako voda, trojatomové, čtyřatomové, jako čpavek. Mimochodem čpavek je velice důležitá molekula pro astronomii, protože má nesmírně bohaté spektrum. A čpavek se používá pro měření teploty vesmíru.
První spektrometr pro mikrovlnné záření v České republice postavili vědci z pražské Vysoké školy chemicko-technologické v roce 2004. Použili ty nejnovější polovodičové technologie, takže teď s ohromnou přesností dokážou určit typ molekuly a její vlastnosti.
Princip spočívá ve srovnávání spekter, tedy „otisků prstů“ molekul. Spektra, která vyzařují vesmírné objekty nebo molekuly v mezihvězdném prostoru, se srovnávají se spektry molekul, které se vyskytují na Zemi. Vědci především chtějí vytvořit databanku molekul.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha: Tato laboratorní informace je naprosto nezbytná pro interpretaci těch vesmírných, slunečních nebo atmosférických spekter. Bez nich by nebylo možné určit, jaké molekuly jsou v atmosféře a jaké molekuly jsou v mezihvězdném prostoru.
Přesnost měření musí být obrovská. Proto jsou součástí přístroje i atomové hodiny. Ve světě však neexistuje výrobce, který by takový stroj uměl vyrobit. Skupině profesora Urbana tak nezbylo nic jiného, než ho postavit vlastními silami. Českým přístrojem se nyní inspirují i zahraniční laboratoře.
Ing. Rostislav Sovička, CSc., konzultant skupiny, dříve vědecký pracovník ČSAV: K vykonávání různých experimentů je zapotřebí mít také speciální experimentální zařízení, které by se dalo těžko koupit jako komerční výrobky, protože jsou to přístroje většinou daleko náročnější. Že jsou na ně kladeny daleko větší nároky na rozlišovací schopnost, na rychlost provádění měření.
Vědci tak dokážou změřit spektra i velmi nestabilních radikálů, tedy jakýchsi otevřených molekul, jejichž existence trvá jen zlomky vteřiny. A toto je laboratoř, ve které se spektra volných radikálů měří. Volné radikály mohou do atmosféry vypouštět průmyslové podniky, jde i o látky v cigaretovém kouři. Vznikají také v našem těle a mohou se v něm podílet na nejrůznějších dějích. Radikály jsou vysoce reaktivní a napadají další molekuly, mohou tedy být pro člověka nebezpečné.
Ing. Jan Koutský, student doktorského studia, VŠCHT Praha: Nejznámějším radikálem je hydroxylový OH radikál, který může působit na lidský organismus. My v laboratoři měříme radikály FCO2 a FSO3 v současné době. Tyto radikály mohly vzniknout například v souvislosti s výbuchem sopky na Islandu, ale protože nebyla ještě dostupná žádná mikrovlnná spektra těchto radikálů, nemohlo být provedeno přímé srovnání.
Ve vesmíru jsou molekuly prakticky všude. Dominujícím prvkem je především vodík. Daleko za ním se umisťují další molekuly: oxid uhelnatý, nebo čpavek. Oblasti vesmíru s větší hustotou molekul nazýváme oblaky mezihvězdné hmoty. Takový oblak byl třeba zjištěn pomocí malého teleskopu v Alpách v souhvězdí Orion.
Hmotnost podobných oblaků obvykle mnohonásobně převyšuje hmotnost Slunce. Například v souhvězdí Střelce bylo v mezihvězdném oblaku objeveno obrovské množství etanolu. Jeho hmotnost byla třikrát větší než ta, jakou má Slunce. Výrobce alkoholu by se však dost nadřel. Musel by sbírat molekulu po molekule, které jsou vzdálené přes dvacet kilometrů. Navíc jsou taková oblaka až několik tisíc světelných let velká.
Snem vědců je nalézt ve vesmíru organické molekuly, které jsou základem života, tedy aminokyseliny, bílkoviny či dokonce části DNA.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha: Tato měření při nízkých frekvencích jsou velice obtížná, protože tím zářením, jak na ně svítíme, se molekuly dostávají do vzbuzených stavů a dochází k takzvané saturaci přechodů a vzorek se stává neviditelným.
Pro dokonalejší sledování vesmírných molekul vzniká největší existující světový pozemní astronomický projekt, kterého se účastní i Česká republika. Jde o radioteleskop pro milimetrové a submilimetrové záření zvaný ALMA. Evropská jižní observatoř jej buduje v chilských Andách v nadmořské výšce pěti tisíc metrů. V této poušti už dvacet let nepršelo. Suchý vzduch je důležitý – vysoká vlhkost totiž zabraňuje proniknutí slaboučkých signálů z kosmu k Zemi.
Celá soustava 66 spolupracujících antén bude mít výrazně větší citlivost než jiné současné radioteleskopy. Antény se budou pohybovat po písečné planině do vzdáleností od 150 m do 16 km, což umožní různé zdroje záření ve vesmíru přesně zaměřit. ALMA je nejvýkonnější teleskop pro pozorování chladného vesmíru, tedy molekulárního plynu a prachu, stejně jako reliktního záření, které je pozůstatkem po velkém třesku. Umožní hledat odpovědi týkající se našeho kosmického původu.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha: Je řada procesů ve vesmíru, o kterých nemáme ani ponětí, a tak citlivé zařízení jako ALMA a tak přesné zařízení může dát naprosto nové informace, může ty vzdálenosti, ty mapy toho vesmíru daleko zpřesnit.
Spektroskopie však není jen metoda určování molekul ve vesmíru, je to především základ chemické analýzy, která se používá od těžkého průmyslu až k jemným technologiím. V budoucnu by mohla pomoci například při analýze molekul lidského dechu a pachu, takže díky ní bude možné zjišťovat nemoci nebo pomáhat policii.
Prof. RNDr. Štěpán Urban, CSc., vedoucí Ústavu analytické chemie, VŠCHT Praha: Analyzátor na alkohol, analyzátor na cukrovku, analyzátor na základní nemoci budeme nosit v kapse.
Na odpověď, pomůže-li mikrovlnná spektroskopie odhalit známky života v kosmu či dokonce existenci jiných civilizací, si budeme muset ještě počkat.
Autor: Jan Oraský