Flyvende teleskop på en jumbojet

Stjernetåke avslører universets første molekyl

I 22 år har astronomer lett etter de første molekylene i universet, som ifølge teorien oppsto 380 000 år etter big bang. Nå har et flyvende teleskop funnet spor etter urmolekylene som bekrefter hvordan stjerner og galakser oppsto.

I 22 år har astronomer lett etter de første molekylene i universet, som ifølge teorien oppsto 380 000 år etter big bang. Nå har et flyvende teleskop funnet spor etter urmolekylene som bekrefter hvordan stjerner og galakser oppsto.

Carla Thomas/NASA

Fra en jumbojet med innebygget teleskop skanner astronomer langsomt og metodisk et utsnitt av himmelen for bølgelengder av infrarød stråling, som når en bilradio leter etter en radiokanal med en bestemt frekvens.

Tre ganger har teleskopet SOFIA skannet himmelen på leting etter stråling med den bølgelengden som molekylet heliumhydrid sender ut.

I 2016 ble det bingo. Molekylet er sammensatt av et helium- og et hydrogenatom og fyller en viktig tom plass i universets utviklingshistorie.

Det enkle molekylet er nemlig – ifølge ledende teorier – den første byggesteinen i universet.

Heliumhydrid dannet senere hydrogenmolekyler som etter big bang samlet seg i enorme skyer som fødte universets første stjerner og galakser.

Dermed satte urmolekylet i gang den prosessen som over tid skapte de fleste grunnstoffene, planeter og alt liv. Men inntil nå har det på tross en iherdig jakt gjemt seg for astronomene og sådd tvil om teoriene våre om universet.

Molekyl gjemmer seg i årevis

I om lag 95 år har astronomene visst hva de lette etter. I 1925 viste laboratorieforsøk at edelgassen helium, som nesten aldri reagerer med andre atomer, kan reagere med en hydrogenkjerne.

Sammensmeltningen danner det stabile ionet heliumhydrid – HeH+ – som astronomene helt siden den gang har utpekt som universets første molekyl.

Siden slutten av 1970-tallet har forskerne også kjent det opplagte stedet å lete etter molekylet: stjernetåken NGC 7027.

Stjernetåge med den første molekyle i universet

All kjemi i universet begynte med det enkle molekylet heliumhydrid, som astronomer nå for første gang har funnet i en stjernetåke som ligner det glovarme, unge universet.

© Judy Schmidt/HST/ESA/NASA/Claus Lunau

Stjernetåken befinner seg bare 3000 lysår fra jorda, og den omgir en varm og sterkt hvit dverg­stjerne. Tidligere lignet stjernen sola, men svulmet etter hvert opp til en rød kjempestjerne.

For 600 år siden sendte den ut sine ytre lag i verdensrommet og ble til en hvit dverg omgitt av en tettpakket gassky.

Med energirik stråling og en temperatur på 4000 grader gjengir skyen forholdene i det unge universet – der urmolekylet oppsto.

Tross gjentatte forsøk har ikke forskerne klart å finne spor etter molekylet i stjernetåken. De to romteleskopene Infrared Space Observatory og Spitzer har begge tidligere lett etter heliumhydrid, uten hell.

Årsaken er at ionets bølgelengde, 149,137 mikrometer, ligger like ved bølgelengden til et molekyl av karbon og hydrogen. Men nå har astronomer funnet beviset.

SOFIA finner uomtvistelig bevis

Observasjonene er gjort fra en Boeing 747 som har blitt kraftig forsterket i bakkroppen, slik at skroget ikke knekker når astronomer i 13 700 meters høyde åpner en fire kvadratmeter stor skyvedør i siden.

Herfra har det 2,5 meter store teleskopet Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA, fritt utsyn til verdensrommets infrarøde varmestråling, som man ikke kan se fra jorda fordi vanndamp i atmosfæren absorberer strålingen.

SOFIAs spektrometer kan tydelig finne bølgelengden knyttet til heliumhydrid: 149,137 mikrometer. Tidligere målinger ble forstyrret av et annet molekyl med en bølgelengde på 149,09 mikrometer.

© Carla Thomas/NASA/Lasse Lund-Andersen

Flyvende teleskop avslører urmolekylet

Teleskopet SOFIA er innebygget i en jumbojet og som skapt til å lete etter universets første molekyl, heliumhydrid. Molekylet sender ut infrarød varmestråling som man ikke kan se fra jorda fordi vanndamp i atmosfæren absorberer den. Siden flyet flyr i 12–14 kilometers høyde, er teleskopet hevet over 99 prosent av vanndampen, og SOFIA har derfor et nesten like godt utsyn som et romteleskop.

I tillegg blir det 2,5 meter store teleskopet oppdatert. For eksempel fikk det i 2015 et nytt spektrometer som kan fokusere på en ekstremt spesifikk bølgelengde. Med det nylig oppdaterte utstyret kan SOFIA observere strålingen fra heliumhydrid i stjernetåken NGC 7027, der astronomene har funnet 3000 av molekylene i hver kubikkmeter.

SOFIA har vært i lufta i årevis, men prosjektet fikk ikke full klaff før i 2016. Da tok SOFIA med et nytt tysk spektrometer med ultrahøy oppløsning, som kan skille mellom infrarøde bølgelengder like ved siden av hverandre.

Med spektrometerets presisjon fanget SOFIA et klart, utvetydig signal fra heliumhydrid i stjernetåken NGC 7027.

Gjennombruddet har senere blitt bekreftet på ytterligere to flyvninger, slik at den samlede observasjonstiden av stjernetåken ble på hele 71 minutter.

Observasjonen av molekylet i verdensrommet underbygger astronomenes teori om at helium og hydrogen skapte den første kjemiske bindingen mellom to atomer ved å dele elektroner, en såkalt kovalent binding.

«Nå kan vi endelig fjerne tvilen om hvordan det første molekylet oppsto, og hvordan det startet kjemiske reaksjoner i det unge universet», sa forskningsleder Rolf Güsten fra Max-Planck-Institut für Radioastronomie i Bonn etter offentliggjøringen av forskergruppens resultater i 2019.

VIDEO: SOFIA oppdager universets første molekyl

Urmolekyl fødte hydrogenskyer

Den neste reaksjonen skjedde da heliumhydrid, sammen med frie hydrogenkjerner, produserte nøytrale molekyler av hydrogen og helium. Det banet vei for 200 milliarder galakser og billiarder av stjerner i universet.

Hydrogenmolekylene samlet seg i enorme gasskyer som kollapset om lag 200 millioner år etter big bang og dermed fødte de første dverggalaksene.

Galaksene inneholdt kjempestjerner som levde kort og endte i gigantiske supernovaeksplosjoner, som slynget det meste av massen sin ut i verdensrommet.

I 380 000 år etter big bang var universet så varmt at det var umulig for flere atomkjerner å koble seg fast til hverandre. Men da temperaturen dalte til under 4000 grader, kunne atomer av helium og hydrogen forene seg
til universets første molekyl – heliumhydrid.

Foreningen ble startskuddet til dannelsen av enorme skyer av hydrogenmolekyler som fødte de første stjernene og galaksene.

© Claus Lunau & Lasse Lund-Andersen

De første nøytrale atomene oppstår

Da temperaturen i det unge universet faller, går de første grunnstoffene ut av plasmaformen. Helium danner de første nøytrale atomene: to positive protoner har nok energi til å holde på to negative elektroner. Hydrogenkjerner kan fortsatt ikke fange elektroner og danne nøytrale hydrogenatomer.

© Claus Lunau & Lasse Lund-Andersen

Helium og hydrogen i det første molekylet

Et heliumatom trekker til seg en hydrogenkjerne, og de to bindes fast ved å dele på ett elektron. Resultatet er universets første molekyl, heliumhydrid-ion. Bindingen øker molekylets energi, slik at det sender
ut en lyspartikkel, et foton, for å nå sitt laveste energinivå, som molekylet alltid søker.

© Claus Lunau & Lasse Lund-Andersen

Ioner hjelper hydrogen­skyer

Et foton fra stjernetåken treffer et heliumhydrid- ion og gjør den energirik nok til å fange enda en hydrogenkjerne. Ionet spaltes i et helium­atom og et positivt ladet hydrogenmolekyl som ved hjelp av to elektroner blir nøytralt. 200 millioner år senere kollapser skyer av hydrogen til de første stjernene.

Bortsett fra hydrogen, helium og litium, som ble dannet ved big bang, er alle grunnstoffer opp til uran skapt i stjerner og sendt ut i stjernetåker.

Siden har grunnstoffene reagert med hverandre og dannet forstadier til biologiske molekyler, for eksempel metanol og sukkerstoffer.

Menneskekroppens viktigste byggesteiner, som oksygen, karbon, nitrogen, kalsium og fosfor, stammer fra stjernetåker.

Instrumentet GREAT

Spektrometeret må kjøles ned til nesten det absolutte nullpunktet for å utføre målingene sine. Instrumentet heter GREAT – German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies.

© Carla Thomas/NASA

Uten det enkle urmolekylet av helium og hydrogen hadde verken stjerner, planeter eller jordas planter og dyr noensinne blitt skapt.

Med funnet av molekylet har astronomene nådd en viktig milepæl i arbeidet med teoriene om de første trinnene i universets utvikling. Neste skritt blir å se molekylet i aksjon i fjernere, eldre stjernetåker.