Węgiel jest wszędzie

Technika spektroskopii odsłoniła przed nami chemiczne oblicze kosmosu. Pozwoliła zajrzeć nawet do wnętrza odległych gwiazd i planet.

11.02.2019

Czyta się kilka minut

Centre College, NASA, zajęcia ze studentami z użyciem spektroskopu, 2016 r. / ROBERT BOAG / CENTRE COLLEGE / NASA
Centre College, NASA, zajęcia ze studentami z użyciem spektroskopu, 2016 r. / ROBERT BOAG / CENTRE COLLEGE / NASA

Wielkim filozofom zdarzają się wielkie pomyłki. Żyjący na przełomie XVIII i XIX w. August Comte był jednym z pierwszych uczonych, którego można określić mianem filozofa nauki. W książce „Kurs filozofii pozytywnej” z 1835 r. pisał: „Jeśli chodzi o gwiazdy, to wszelkie badania, które wykraczają poza zwykłe obserwacje są (…) dla nas siłą rzeczy niedostępne. (…) Nigdy nie będziemy w stanie w żaden sposób poznać ich składu chemicznego”.

Dziś wiemy, że w traktatach filozoficznych nie warto używać takich słów jak „nigdy”. Już półtora wieku przed wydaniem książki Comte’a Izaak Newton rozszczepił przy pomocy pryzmatu światło słoneczne na barwy składowe, uzyskując w zaciemnionym pokoju tęczę, a w 1814 r. Joseph von Fraunhofer połączył lunetę z pryzmatem i zaobserwował w widmie Słońca pasma absorpcyjne, które obecnie znamy pod nazwą linii Fraunhofera. Można je sobie wyobrazić jako ciemne paski na typowym obrazie tęczy – rezultat pochłaniania promieniowania o określonej energii przez materię. Dziś możemy powiedzieć, że właśnie w tym momencie narodziła się spektroskopia astronomiczna. Ale nawet Comte nie mógł o tym wiedzieć.

Pożar w Mannheim

Za ojców spektroskopii – techniki umożliwiającej zdalne badanie wnętrza gwiazd – uważa się Gustava Kirchhoffa oraz Roberta Bunsena. Los zetknął tych dwóch fizyków w połowie XIX w. na uniwersytecie w Heidelbergu. Wykorzystując skonstruowany przez Bunsena specjalny palnik oraz ulepszoną w ich laboratorium lunetę z pryzmatem, czyli prototyp spektroskopu, badali szereg soli, które wprowadzane do płomienia nadawały mu charakterystyczne barwy.

Jeśli do nieświecącego płomienia palnika wprowadzimy np. platynowy drucik zanurzony wcześniej w roztworze soli kuchennej, zauważymy intensywną żółtą barwę. Jeśli skierujemy lunetę z pryzmatem na taki płomień, zobaczymy dwie charakterystyczne żółte linie – świadczące o obecności sodu. W tej technice bada się więc światło wysyłane przez wzbudzone atomy pierwiastków (widmo emisyjne) – inaczej niż w przypadku techniki zastosowanej przez Fraunhofera, opartej na widmie absorpcyjnym.

Skonstruowane przez Kirchhoffa i Bunsena urządzenie, nazwane spektroskopem, pozwoliło im m.in. na odkrycie w lokalnej wodzie mineralnej dwóch nowych pierwiastków – cezu (Cs) i rubidu (Rb). Obaj uczeni po pracy w laboratorium lubili wspólnie spacerować po okolicy, wędrując ścieżką zwaną Drogą Filozofów. I właśnie tam, pewnego letniego wieczoru 1859 r., zauważyli olbrzymi pożar, który wybuchł w odległym o 20 km Mann- heim. Wpadli na pomysł, aby wrócić do pracowni i obserwować płomienie przy użyciu spektroskopu. Bez trudu stwierdzili obecność w widmie m.in. wspomnianych wcześniej charakterystycznych linii pochodzących od sodu. Później Bunsen wpadł na ekscentryczny pomysł. Jeśli można obserwować i analizować płomień palnika barwiony przez rozmaite pierwiastki, oraz dokonać tego samego na odległość Heidelberg–Mannheim, to dlaczego by nie połączyć spektroskopu z teleskopem skierowanym na Słońce? To wprawdzie 150 mln km dalej, ale spróbować można.

Metoda obserwacji zdalnej stworzona przez Kirchhoffa i Bunsena wkrótce zatriumfowała. Francuski astronom Pierre Janssen w 1868 r. zauważył w widmie słonecznym pomarańczową linię, której nie dało się przyporządkować do żadnego ze znanych pierwiastków. Tak odkryto hel – który swą nazwę zawdzięcza Heliosowi, greckiemu bogu Słońca. Początkowo sądzono, że hel nie występuje na Ziemi.

Dzięki dopasowaniu konkretnych pierwiastków do konkretnego wzorca linii widma światła emitowanego przez różne obiekty nauka dostała potężne narzędzie do analizy budowy chemicznej obiektów oddalonych o miliony czy miliardy kilometrów.

Linie absorpcyjne – czarne paski – w spektrum światła słonecznego

Początkowo analizy opierały się wyłącznie na pochodzącym z kosmosu świetle widzialnym. Jednak w XIX w. naukowcy zdawali sobie sprawę z tego, że światło widzialne jest tylko niewielkim wycinkiem całego zakresu częstotliwości fal elektromagnetycznych. Spektroskopia w zakresie światła widzialnego była bardzo użyteczna, ale wyniki otrzymywane tą metodą były tylko ułamkiem tego, co można było odczytać z nieba. Kolejnym wielkim krokiem było stworzenie narzędzia obserwacyjnego, które pozwalało na poszerzenie zakresu rejestrowanego promieniowania. Powstało trochę przypadkowo, podczas badania zakłóceń transatlantyckich transmisji radiowych. Inżynier z Bell Labs, Karl Jansky, na początku lat 30. XX w. skonstruował olbrzymią antenę, dzięki której zarejestrował dochodzące z kosmosu niewidzialne gołym okiem promieniowanie wodoru o długości fali 21 cm. Był to moment, który można uznać za początek radioastronomii, umożliwiającej w połączeniu ze spektroskopią badanie składu chemicznego obiektów dalekich i nieświęcących. O takiej metodzie Comte nawet nie śnił.

Kosmiczny tygiel

Rozwój spektroskopii astronomicznej pozwolił odpowiedzieć na nurtujące naukowców od dawna pytanie: czy w odległych gwiazdach i planetach powstają dokładnie te same związki chemiczne, które znamy z Ziemi, czy zupełnie inne? Z jednej strony właściwości chemiczne atomów nie zależą od tego, gdzie one się znajdują, jednak z drugiej w kosmicznym tyglu możemy napotkać warunki, których próżno szukać na Ziemi. Wewnątrz gwiazd panują ekstremalnie wysokie temperatury i ciśnienia, z kolei w przestrzeni międzygwiezdnej temperatura jest zbliżona do zera absolutnego, poza tym panuje tam próżnia, jakiej nie da się uzyskać w ziemskich laboratoriach. Dlatego chemicy z dużym zaciekawieniem zaczęli współpracować z astronomami przy analizie danych otrzymywanych z przestrzeni kosmicznej.

Wyobraźnię naukowców rozbudzały analizy składu meteorytów docierających do nas z kosmosu. Wprawdzie nie znaleziono w nich żadnych egzotycznych pierwiastków, których nie ma na Ziemi, ale zdarzały się egzotyczne izotopy oraz minerały o zmienionym składzie. W ostatnich latach wykazano obecność w kosmosie związków organicznych pochodzenia pozaziemskiego, takich jak uracyl, cytozyna czy tymina (składniki DNA i RNA). W 2015 r. lądownik Philae zbadał powierzchnię komety 67/P i znalazł tam m.in. 16 innych związków organicznych.

Równolegle trwają cały czas intensywne badania odległych obszarów kosmosu. Szuka się zarówno związków chemicznych znanych z Ziemi, jak i takich, które mogą powstać wyłącznie w egzotycznych warunkach, u nas niespotykanych.

Historycznie pierwszym (1937 r.) dwuatomowym indywiduum chemicznym, które zaobserwowano w kosmosie, był metylidyn (CH). Jeśli od najprostszego związku organicznego – metanu, czyli CH4, oderwiemy trzy atomy wodoru, otrzymamy właśnie dwuatomowy rodnik CH.

Rodnik nie jest typową cząsteczką chemiczną, ale czymś bardzo reaktywnym, ponieważ oderwanie atomów powoduje, że pozostają tam tzw. niesparowane elektrony – w chemii coś bardzo rzadkiego. Gdy próbujemy uzyskać metylidyn na Ziemi, musimy zadbać, aby w okolicy nie było niczego, z czym mógłby się związać – co jest skrajnie trudne. Zupełnie inaczej jest tam, w kosmosie, choć czasem niełatwo to sobie uświadomić. Gdy widzimy z daleka takie formacje jak obłoki międzygwiezdne, musimy sobie zdawać sprawę, że panuje tam próżnia, jakiej nie damy rady wytworzyć na Ziemi. Dlatego też taki rodnik nie ma w pobliżu niczego, z czym mógłby zareagować. I właśnie to pozwala mu istnieć bardzo długo. Dotyczy to oczywiście nie tylko metylidynu, ale wszystkich innych rodników oraz cząsteczek. Szacuje się, że średni czas pomiędzy zderzeniami cząsteczek w obłokach międzygwiezdnych to dwa tygodnie, w tym czasie muszą one przebyć nawet 100 tys. km.

Od 1937 r. lista związków i rodników zidentyfikowanych w przestrzeni kosmicznej systematycznie rośnie. Dość szybko znaleziono takie rodniki jak CN (cyjan) oraz OH (rodnik hydroksylowy), a także dość reaktywny związek chemiczny – formaldehyd (HCHO).

W poszukiwaniu życia

Co ciekawe, jedynym znajdującym się na tej liście związkiem nieorganicznym o pięciu atomach jest analog metanu, krzemowodór SiH4. Inne większe związki są zawsze związkami węgla. Kosmos jest po prostu organiczny.

Dziś wiemy, że wbrew twierdzeniom tzw. witalistów chemia związków organicznych nie jest czymś metafizycznie odmiennym od chemii związków nieorganicznych, w jednej i drugiej obowiązują te same prawa i zasady, ale zidentyfikowanie złożonych związków organicznych w odległym kosmosie zawsze wywołuje ekscytację. Są one kluczowym składnikiem życia w tej jedynej formie, jaką znamy.

Oczywiście z faktu obecności wielu, nawet złożonych związków chemicznych, nie wynika wprost to, że wszędzie tam jest jakieś życie. W klasycznym już dziś eksperymencie Stanleya Millera z połowy XX w., w którym w warunkach laboratoryjnych zasymulowano pierwotne warunki panujące na Ziemi, pod wpływem wyładowań elektrycznych uzyskano sporo złożonych związków organicznych, m.in. aminokwasów, czyli cząstek budujących białka. Od takiej organicznej zupy do powstania życia daleka droga, a jej kolejnych etapów ciągle nie znamy. Ale przecież przynajmniej raz życie ją jakoś pokonało.

Od początku XXI w. astrochemicy donoszą o coraz to nowych związkach identyfikowanych w rozmaitych miejscach. W 2004 r. stwierdzono, że mgławica protoplanetarna Czerwony Prostokąt w gwiazdozbiorze Jednorożca jest szczególnie bogata w wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), takie jak antracen i piren. W ostatniej dekadzie WWA wykryto w wielu innych miejscach, w tym w atmosferze Tytana, największego księżyca Saturna.

Wyobraźnię ludzi rozpalają czasem doniesienia o znalezieniu gigantycznych obłoków etanolu. Nie jest to jednak czysty spirytus – razem z nim zaobserwowano takie związki jak tlenek węgla (CO, czad), amoniak (NH3) czy też cyjanowodór (HCN). Znacznie częściej obserwuje się obłoki metanolu, który jest prostszą cząsteczką. Z drugiej strony dużym zaskoczeniem było odkrycie fullerenów, czyli odmiany alotropowej węgla, składających się z 60 oraz 70 atomów.

Kosmiczne laboratorium chemiczne jest pełne odczynników. Są znacznie rozproszone (nie licząc atmosfery planet i księżyców), ale mimo to astrochemicy uważają, że wszędzie przebiegają reakcje chemiczne, czasami egzotyczne. Istotnym czynnikiem jest czas. Izolowany rodnik czy cząsteczka prędzej czy później spotka się z inną, z którą będzie mogła zareagować. Jeśli nie nastąpi to w ciągu roku, to może się zdarzyć za milion albo miliard lat. Wszechświat jest cierpliwy. ©

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]

Artykuł pochodzi z numeru Nr 7/2019