ISTRAŽIVANJE SVEMIRA

Ivan Kremer

Zagonetka iz dubokog svemira

Lov na aromatične molekule

GOTHAM, grupa astrohemičara sa više univerziteta upečatljivog naziva, već nekoliko godina radi na projektu detekcije policikličnih aromatičnih ugljovodonika, PAH-ova, u međuzvezdanom prostoru.

U poslednjih sedamdesetak godina, u međuzvezdanom prostoru, detektovano je svega 267 molekula, zaključno sa avgustom 2022. godine. Mnogi od njih su ustvari reaktivne hemijske vrste, koje na Zemlji ne bi bile stabilne, koje bi odmah reagovale sa drugim obližnjim hemijskim vrstama, ili molekulima. Tehnički, neki od njih se strogo ni ne uklapaju IUPAC definiciju molekula, ali zbog jako velike razređenosti jedinjenja u međuzvezdanom prostoru, u svemiru mogu postojati i više meseci - dok konačno ne nalete na drugi molekul. Najveće su šanse da taj drugi molekul bude vodonik (H2) s obzirom da je on najzastupljeniji u svemiru.
Poznato je da aromatična organska jedinjenja čine ogroman postotak na Zemlji poznatih organskih jedinjenja, stoga se zaključuje da bi takva jedinjenja takođe trebalo da budu rasprostranjena i u svemiru. Benzen, najpoznatiji aromatični molekul sa šestočlanim prstenom, prvi put je detektovan u međuzvezdanom prostoru tek 2001. godine. Procenjuje se da se između 10 i 25 % ugljenika prisutnog u međuzvezdanom prostoru nalazi u obliku aromatičnih jedinjenja. Pošto je za reakcije formiranja aromatičnih prstenova od nearomatičnih organskih jedinjenja potrebna izvesna veća količina energije, razumna je pretpostavka da će se PAH-ovi u međuzvezdanom prostoru nalaziti u znatnim količinama u delovima svemira u kojima je dosta energije, poput tzv. molekularnih oblaka, poznatih kao zvezdani rasadnici (eng. stellar nursery), odnosno regioni formiranja zvezda. GOTHAM projekat se odlučio za pregled jednog takvog regiona, Bikovog molekularnog oblaka 1 (eng. Taurus Molecular Cloud, TMC-1). Pretpostavlja se da u takvim regionima svemira PAH-ovi nastaju iz ugljenika prisutnog u obliku prašine pod uticajem jake radijacije.
Na Zemlji bi se za detekciju i određivanje aromatičnih jedinjenja mogle koristiti razne instrumentalne metode, počev od UV VIS spektroskopije do gasne hromatografije sa masenom spektrometrijom. Kada je reč o dubokom svemiru i međuzvezdanom prostoru, mora se uzeti u obzir činjenica da nam uzorak nije dostupan, kao i da ne možemo uticati na sistem unošenjem energije, odnosno ekscitacijom molekula radi njegove detekcije. Zbog toga smo ograničeni na detekciju putem opažanja energetskih emisija koje ti molekuli prirodno odašilju. Iz tog razloga koriste se veliki svemirski radio teleskopi kao izvori podataka za detekciju. Jedan od takvih teleskopa je Green Bank Telescope (GBT) u Zapadnoj Virdžiniji, u SAD, putem koga GOTHAM projekat vrši detekcije. Duhovito izabran akronim GOTHAM, koji aludira na grad iz stripova o Betmenu, u stvari predstavlja reči GBT Observations of TMC-1 : Hunting Aromatic Molecules, odnosno u prevodu „Opservacije Bikovog molekularnog oblaka 1 putem Green Bank Teleskopa: lovljenje aromatičnih molekula“.

Molekuli sa C-arom

Među emisijama iz svemira detektovanim radio-teleskopima u srednjem infracrvenom delu spektra, negde između 3 i 20 µm talasne dužine, postoje tzv. neidentifikovane infracrvene trake (eng. Unidentified Infrared bands, UIR). Pretpostavlja se da su izvor tih emisija upravo policiklični aromatični ugljovodonici, odnosno PAH-ovi, zajedno sa fularenima. Ta pretpostavka se zasniva na tome da se te trake poklapaju sa vibracionim frekvencijama aromatičnih C-C i C-H veza pri njihovoj instrumentalnoj detekciji vibracionom spektroskopijom, u laboratoriji. Međutim, pošto se u molekularnim oblacima nalazi veliki broj različitih aromatičnih jedinjenja, na osnovu podataka dobijenih od radio-teleskopa nije moguće direktno detektovati zasebna aromatična jedinjenja jer se signali iz različitih jedinjenja preklapaju. Ono što je moguće nedvosmisleno zaključiti jeste prisutnost molekula koji poseduju arom. C-arom. C-veze i arom. C- H veze. Zbog toga GOTHAM tim koristi indirektne metode detekcije.
Iz napomenutih razloga, istraživanja se fokusiraju na modelovanje reakcionih puteva nastajanja aromatičnih jedinjenja i detekciju njihovih jednostavnijih prekursora u međuzvezdanom prostoru, najčešće putem rotacione, a ne vibracione spektroskopije. Takva manja jedinjenja mogu se razaznati među signalima emisija iz svemira, za razliku od velikog broja pomešanih većih policikličnih aromatičnih jedinjenja koja, pri vibracionim prelazima, daju preklopljene signale, a usled nepolarnosti ili slabe polarnosti - možda ni nemaju izražene rotacione prelaze, pa ne daju signale za rotacionu spektroskopiju. Logika nalaže da, ako su uspešno u međuzvezdanom prostoru detektovani prekursori pri nastajanju aromatičnih jedinjenja, onda su tamo prisutna i sama aromatična jedinjenja.

U Bikovom molekularnom oblaku

Da bi se uverili u ispravnost korišćenja rotacione spektroskopije za detekciju prekursora pri nastajanju aromatičnih jedinjenja, pripadnici GOTHAM tima najpre su snimili rotacioni spektar (u predelu K trake, na oko 20 Ghz) cijanometil radikala, CH2-CN, zatim našli odgovarajuće signale u podacima iz Green Bank teleskopa i dobili potpuno podudaranje. Nakon detekcije cijanometil radikala u Bikovom molekularnom oblaku, osnovan je potprojekat ARKHAM (opet aluzija na Betmena) koji je na isti način detektovao cijanometil radikal u drugom molekularnom oblaku - SMC, da bi se uverilo da je prisustvo ove hemijske vrste univerzalno u svemiru. Detekcija pomenutog radikala bila je deo poduhvata indirektne detekcije aromatičnog jedinjenja benzonitrila, uspešno obavljene i objavljene u naučnom radu 2018. godine.
U cilju astrohemijskog modelovanja puteva nastajanja, rade se računarske simulacije u kojima se oponašaju uslovi u molekularnom oblaku. Dobijeni modeli predstavljaju niz hemijskih reakcija, ali se kao glavni rezultat računarske simulacije astrohemijskog modelovanja dobija grafik koji predstavlja rasprostranjenost više molekula/hemijskih vrsta (prekursora pri nastajanju) u funkciji vremena. Zatim se na osnovu podataka iz teleskopa, pošto je prekursore aromatičnih jedinjenja moguće detektovati među signalima snimljenim teleskopom (u predelu K trake, između 18 i 27 GHz), konstruišu isti takvi grafici rasprostranjenosti molekula/hemijskih vrsta u funkciji vremena. Ako se grafici za više prekursora pri nastajanju konstruisani na osnovu podataka iz teleskopa poklapaju sa graficima za više prekursora pri nastajanju, konstruisanim na osnovu računarski dobijenih modela puteva nastajanja, onda je to uspešna indirektna detekcija nekog aromatičnog jedinjenja. Na taj način je, najpre 2018. godine detektovan benzonitril, a zatim 2021. godine prva tri PAH-a detektovana van Sunčevog sistema: 1-cijanonaftalen, 2-cijanonaftalen i inden.

Za razumevanje nastanka i evolucije svemira

Još jedno oruđe u arsenalu GOTHAM tima jeste korišćenje laboratorijskih eksperimenata gde se policiklična aromatična jedinjenja izlažu mikrotalasnom zračenju u laboratoriji, pri čemu se razlažu u cilju otkrivanja prekursora.
Osnivač i lider GOTHAM tima je dr. Bret Mekgvajer, sa MIT-a, a tim je podeljen na tri grane: opservacije, laboratorija i modelovanje, mada pripadnici jedne od grana često učestvuju i u radu ostalih grana.
Detekcija organskih jedinjenja, poput PAH-ova, u međuzvezdanom prostoru, važna je za razumevanje hemije nastanka i evolucije univerzuma, kao i velikog svemirskog hemijskog ciklusa nastajanja i nestajanja: od nastajanja zvezda, preko nastajanja planeta oko njih, uz potencijalno formiranje života na planetama, do uništenja zvezda sa planetama oko njih i ponovnog nastajanja novih zvezda. Međutim, na stranu takvi ozbiljni, uzvišeni razlozi; međuzvezdani prostor je  nesvakidašnji i posebno zanimljiv prizor za analitičke hemičare usled već pomenute činjenice da, u prazninama svemira, gde imamo jako nisku gustinu nalaženja jedinjenja, mogu dugo vremena postojati i biti detektovane hemijske vrste koje na Zemlji ne bi postojale. Takve vrste na Zemlji, gde su okružene drugim jedinjenjima, čim bi nastale, dalje bi reagovale sa nečim drugim, a u svemiru dugo vremena ne nalete na to drugo, usled rasprostranjenosti jedinjenja na ogromnom prostoru svemira, te se tamo mogu smatrati stabilnim molekulima, što za neke klasične hemičare može biti iritantno.

Ivan Kremer

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"