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.
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.
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.
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.
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.