W kosmosie wykryto zaskakująco skomplikowaną cząsteczkę

W międzygwiazdowych obłokach o ekstremalnie 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 (UMK) w Toruniu, Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF 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, sięgające nawet 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.

 Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie

i farmacji. Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie.

Full bibliographic information


„Evidence for diacetylene cation as the carrier of a diffuse interstellar band”, J. Krełowski, Y. Beletsky, G.A. Galazutdinov, R. Kołos, M. Gronowski, G. LoCurto; Astrophysical Journal Letters 714 (2010) 64.
Attached files
  • pdf file
  • W przezroczystych obłokach materii międzygwiazdowej wykryto kation dwuacetylenu, cząsteczkę zbudowaną z dwóch atomów wodoru i czterech węgla. (Źródło: IChF PAN, NASA & C.R. O'Dell/Vanderbilt University)

Other content in...

Categories

Keywords

Regions