L'impressione di un artista dell'Osservatorio spaziale Herschel con le sue osservazioni sulla formazione stellare nella Nebulosa Rosetta sullo sfondo.
(Immagine: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, scrittore ed editore di The Kavli Foundation, ha contribuito con questo articolo a Expert Voices di Space.com: Op-Ed & Insights.
Dalle serene gite in campeggio alla creazione di un consenso internazionale su osservatori di grande budget, il vincitore del premio Kavli 2018 discute il suo viaggio personale e professionale nel campo dell'astrochimica.
NON TUTTO LO SPAZIO È TALE POSTO BARREN. Le galassie sono piene zeppe di nuvole polverose contenenti ricchi stufati di molecole, che vanno dal semplice gas idrogeno a complesse sostanze organiche fondamentali per lo sviluppo della vita. Comprendere come tutti questi ingredienti cosmici si mescolano nella formazione di stelle e pianeti è stato il lavoro della vita di Ewine van Dishoeck.
Un chimico che si allenava, van Dishoeck presto rivolse gli occhi al cosmo. Ha aperto la strada a molti progressi nel campo emergente dell'astrochimica, sfruttando gli ultimi telescopi per rivelare e descrivere il contenuto di vaste nuvole stellari. Parallelamente, Van Dishoeck ha proseguito esperimenti di laboratorio e calcoli quantistici su terra ferma per comprendere la scomposizione delle molecole cosmiche alla luce delle stelle, nonché le condizioni in cui nuove molecole si accumulano insieme come i mattoncini Lego. [8 misteri misteriosi di astronomia]
"Per i suoi contributi combinati all'astrofotografia osservativa, teorica e di laboratorio, chiarendo il ciclo di vita delle nuvole interstellari e la formazione di stelle e pianeti", van Dishoeck ha ricevuto il premio Kavli del 2018 in astrofisica. È solo la seconda vincitrice in qualsiasi campo ad essere stata distinta come unica destinataria del premio nel corso della sua storia.
Per saperne di più sulla sua carriera rivoluzionaria nel campo dell'astrochimica e sulle prospettive per il settore, la Kavli Foundation ha parlato con van Dishoeck del suo ufficio all'Osservatorio di Leida presso l'Università di Leida in Olanda, poco prima di frequentare un barbecue per lo staff. Van Dishoeck è professore di astrofisica molecolare e presidente eletto dell'Unione astronomica internazionale (IAU).
Quella che segue è una trascrizione modificata della discussione della tavola rotonda. Van Dishoeck ha avuto la possibilità di modificare o modificare le sue osservazioni.
LA FONDAZIONE KAVLI: Cosa ci dice l'astrochimica di noi stessi e dell'universo in cui viviamo?
EWINE VAN DISHOECK: La storia generale raccontata dall'astrochimica è: qual è la nostra origine? Da dove veniamo, come siamo stati costruiti? Come si sono formati il nostro pianeta e il nostro sole? Questo alla fine ci porta a cercare di scoprire i mattoni fondamentali per il sole, la Terra e noi. È come Legos: vogliamo sapere quali pezzi erano presenti nell'edificio Lego impostato per il nostro sistema solare.
I mattoni più elementari sono ovviamente gli elementi chimici, ma il modo in cui questi elementi si combinano per creare blocchi più grandi - le molecole - nello spazio è cruciale per comprendere come tutto il resto è diventato.
TKF: Tu e altri ricercatori avete ora identificato più di 200 di questi blocchi molecolari nello spazio. Come si è evoluto il campo nel corso della tua carriera?
EVD: Negli anni '70, abbiamo iniziato a scoprire che molecole molto insolite, come ioni e radicali, sono relativamente abbondanti nello spazio. Queste molecole mancano o hanno elettroni spaiati. Sulla Terra, non persistono a lungo perché reagiscono rapidamente con qualsiasi altra questione che incontrano. Ma poiché lo spazio è così vuoto, ioni e radicali possono vivere per decine di migliaia di anni prima di imbattersi in qualsiasi cosa.
Ora, ci stiamo muovendo verso l'identificazione delle molecole presenti nel cuore stesso delle regioni in cui si stanno formando nuove stelle e pianeti, proprio in questo momento. Stiamo superando l'individuazione di ioni e radicali isolati in molecole più sature. Questi includono molecole organiche [contenenti carbonio] nelle forme più semplici, come il metanolo. Da quel blocco base di metanolo, puoi accumulare molecole come glicolaldeide, che è uno zucchero e glicole etilenico. Entrambe sono molecole "prebiotiche", nel senso che sono necessarie per l'eventuale formazione di molecole di vita.
Il campo successivo in cui si sta muovendo l'astrochimica è lontano dal fare un inventario di molecole e dal cercare di capire come si formano queste diverse molecole. Stiamo anche cercando di capire perché potremmo trovare maggiori quantità di determinate molecole in particolari regioni cosmiche rispetto ad altri tipi di molecole.
TKF: Quello che hai appena detto mi fa pensare a un'analogia: l'astrochimica ora è meno sulla ricerca di nuove molecole nello spazio - un po 'come gli zoologi che cercano nuovi animali nella giungla. Il campo ora riguarda più l '"ecologia" di come interagiscono quegli animali molecolari e perché ci sono così tanti di un certo tipo qui nello spazio, ma così pochi laggiù e così via.
EVD: Questa è una buona analogia! Mentre stiamo comprendendo la fisica e la chimica di come si formano le stelle e i pianeti, una parte significativa è capire perché alcune molecole sono abbondanti in alcune regioni interstellari, ma sono "estinte", proprio come potrebbero essere gli animali, in altre regioni.
Se continuiamo la tua metafora, ci sono davvero molte interazioni interessanti tra molecole che possono essere paragonate all'ecologia animale. Ad esempio, la temperatura è un fattore di controllo nel comportamento e nelle interazioni delle molecole nello spazio, che influenza allo stesso modo l'attività degli animali e dove vivono, e così via.
TKF: Tornando all'idea dei blocchi predefiniti, come funziona esattamente il processo di costruzione in astrochimica?
EVD: Un concetto importante nella costruzione di molecole nello spazio è uno che conosciamo dalla vita quotidiana qui sulla Terra, chiamato transizioni di fase. Questo è quando un solido si scioglie in un liquido, o un liquido evapora in gas e così via.
Ora nello spazio, ogni molecola ha la sua "linea di neve", che è la divisione tra una fase gassosa e una fase solida. Quindi, ad esempio, l'acqua ha una linea di neve, dove va dal gas d'acqua al ghiaccio d'acqua. Devo sottolineare che nello spazio non possono esistere forme liquide di elementi e molecole perché c'è troppa pressione; l'acqua può essere liquida sulla Terra a causa della pressione dell'atmosfera del pianeta.
Tornando alle linee della neve, ora stiamo scoprendo che svolgono un ruolo molto importante nella formazione del pianeta, controllando gran parte della chimica. Uno dei più importanti mattoncini Lego, per così dire, che abbiamo trovato è il monossido di carbonio. Conosciamo il monossido di carbonio sulla Terra perché, ad esempio, viene prodotto in combustione. I miei colleghi e io abbiamo dimostrato nel laboratorio di Leida che il monossido di carbonio è il punto di partenza per la produzione di molti prodotti organici più complessi nello spazio. Il monossido di carbonio che si congela da un gas a una fase solida è un primo passo cruciale per poi aggiungere i mattoncini Lego di idrogeno. In questo modo puoi continuare a costruire molecole sempre più grandi come la formaldeide [CH2O], quindi metanolo, su glicolaldeide come abbiamo discusso, oppure puoi persino andare a molecole più complesse come il glicerolo [C3H8O3].
Questo è solo un esempio, ma ti dà un'idea di come si svolge un processo di costruzione in astrochimica.
TKF: Hai appena menzionato il tuo laboratorio all'Osservatorio di Leida, il Laboratorio di Sackler per astrofisica, che capisco, si distingue per essere il primo laboratorio di astrofisica. Come è arrivato e cosa hai realizzato lì?
EVD: Giusto. Mayo Greenberg, un astrochimico pioneristico, ha iniziato il laboratorio negli anni '70 ed è stato davvero il primo nel suo genere per l'astrofisica al mondo. Si è ritirato e poi ho continuato il laboratorio. Alla fine sono diventato direttore di questo laboratorio nei primi anni '90 e sono rimasto fino al 2004, quando un collega ha assunto la direzione. Collaboro ancora ed eseguo esperimenti lì.
Ciò che siamo riusciti a raggiungere in laboratorio sono le condizioni estreme dello spazio: la sua freddezza e le sue radiazioni. Possiamo riprodurre le temperature nello spazio fino a 10 kelvin [meno 442 gradi Fahrenheit; meno 260 gradi Celsius], che è solo un pochino sopra lo zero assoluto. Possiamo anche ricreare l'intensa radiazione ultravioletta alla luce delle stelle a cui sono soggette le molecole nelle regioni di nuova formazione stellare. [Star Quiz: prova le tue intelligenze stellari]
Dove non riusciamo, tuttavia, è nel riprodurre il vuoto dello spazio, il vuoto. Riteniamo che un vuoto ultra elevato in laboratorio abbia un ordine di 108 a 1010 [da cento a dieci miliardi] di particelle per centimetro cubo. Ciò che gli astronomi chiamano una nuvola densa, in cui avvengono la formazione di stelle e pianeti, ha solo circa 104o circa 10.000 particelle per centimetro cubo. Ciò significa che una densa nuvola nello spazio è ancora un milione di volte più vuota del meglio che possiamo fare in laboratorio!
Ma questo alla fine funziona a nostro vantaggio. Nell'estremo vuoto dello spazio, la chimica che ci interessa capire si muove molto, molto lentamente. Questo semplicemente non funzionerà in laboratorio, dove non possiamo aspettare 10.000 o 100.000 anni affinché le molecole si incontrino e interagiscano. Invece, dobbiamo essere in grado di fare la reazione in un giorno per imparare qualsiasi cosa sulla scala temporale di una carriera nella scienza umana. Quindi acceleriamo tutto e possiamo tradurre ciò che vediamo in laboratorio su scale temporali molto più lunghe nello spazio.
TKF: Oltre al lavoro di laboratorio, nel corso della tua carriera, hai utilizzato una serie di telescopi per studiare le molecole nello spazio. Quali strumenti sono stati essenziali per la tua ricerca e perché?
EVD: I nuovi strumenti sono stati cruciali durante tutta la mia carriera. L'astronomia è davvero guidata dalle osservazioni. Avere telescopi sempre più potenti in nuove lunghezze d'onda della luce è come guardare l'universo con occhi diversi.
Per fare un esempio, alla fine degli anni '80, sono tornato nei Paesi Bassi quando il paese era fortemente coinvolto nell'Osservatorio spaziale a infrarossi, o ISO, una missione guidata dall'Agenzia spaziale europea [ESA]. Mi sono sentito molto fortunato che qualcun altro avesse fatto il duro lavoro per 20 anni per trasformare quel telescopio in una realtà e potrei felicemente usarlo! L'ISO è stato molto importante perché ha aperto lo spettro infrarosso dove abbiamo potuto vedere tutte queste firme spettrali, come le impronte digitali chimiche, dei ghiacci tra cui l'acqua, che svolgono un ruolo importante nella formazione di stelle e pianeti e nel caso dell'acqua, è ovviamente fondamentale per la vita. È stato un grande momento.
La prossima missione molto significativa fu l'Osservatorio spaziale di Herschel, con il quale mi occupai personalmente come studente laureato nel 1982. Dal punto di vista chimico, era chiaro che Herschel era una missione primaria per le molecole interstellari, e in particolare "seguire il pista acquatica. " Ma prima, dovevamo presentare il caso scientifico all'ESA. Sono andato negli Stati Uniti per un certo numero di anni e ho partecipato a discussioni simili lì, dove ho contribuito a presentare il caso scientifico per Herschel alle agenzie di finanziamento degli Stati Uniti. È stata una grande spinta fino a quando la missione è stata finalmente approvata alla fine degli anni '90. Poi ci sono voluti ancora 10 anni per costruire e lanciare, ma alla fine abbiamo ottenuto i nostri primi dati alla fine del 2009. Quindi dal 1982 al 2009 - è stato un lungo periodo! [Foto: incredibili immagini agli infrarossi dell'osservatorio spaziale Herschel]
TKF: Quando e dove hanno messo radici i tuoi amori per lo spazio e la chimica?
EVD: Il mio amore principale era sempre per le molecole. È iniziato al liceo con un ottimo insegnante di chimica. Molto dipende da insegnanti davvero bravi e non credo che le persone si rendano sempre conto di quanto sia importante. Mi sono reso conto solo quando sono andato al college che la fisica era divertente quanto la chimica.
TKF: Quale percorso accademico hai intrapreso per diventare alla fine un astrochimico?
EVD: Alla Leiden University, ho fatto il mio Master in chimica ed ero convinto che volevo continuare con la chimica quantistica teorica. Ma il professore in quel campo a Leida era morto. Quindi ho iniziato a cercare altre opzioni. All'epoca non sapevo molto dell'astronomia. Era il mio allora fidanzato e attuale marito, Tim, che aveva appena ascoltato una serie di lezioni sul mezzo interstellare e Tim mi disse: "Sai, ci sono anche molecole nello spazio!" [Risata]
Ho iniziato a esaminare la possibilità di fare una tesi sulle molecole nello spazio. Sono passato da un professore all'altro. Un collega di Amsterdam mi ha detto che per entrare davvero nel campo dell'astrochimica, dovevo andare ad Harvard per lavorare con il professor Alexander Dalgarno. Come accadde, nell'estate del 1979, Tim e io eravamo in viaggio in Canada per partecipare ad un'Assemblea Generale dell'Unione Astronomica Internazionale a Montreal. Scoprimmo che prima dell'Assemblea Generale si stavano tenendo delle riunioni via satellite, e una di esse stava effettivamente avvenendo in questo specifico parco dove io e Tim eravamo accampati. L'idea che abbiamo avuto è stata: "Beh, forse dovremmo cogliere l'occasione e andare a vedere già il professor Dalgarno!"
Certo, avevamo tutta l'attrezzatura e l'abbigliamento da campeggio, ma avevo una gonna pulita con me che indossavo. Tim mi ha accompagnato alla riunione satellitare, abbiamo trovato il mio collega di Amsterdam e ha detto: "Oh, bene, ti presenterò il professor Dalgarno". Il professore mi portò fuori, parlavamo per cinque minuti, mi chiese cosa avevo fatto, quale fosse la mia abilità nel campo dell'astrochimica e poi disse: "Sembra interessante; perché non vieni a lavorare per me?" È stato ovviamente un momento cruciale.
È così che è iniziato tutto. Da allora non mi sono mai pentito.
TKF: Ci sono stati altri momenti cruciali, forse all'inizio della tua infanzia che ti hanno messo sulla strada per diventare uno scienziato?
EVD: Attualmente si. Avevo circa 13 anni e mio padre aveva appena organizzato un anno sabbatico a San Diego, in California. Ho preso congedo dalla mia scuola superiore nei Paesi Bassi, dove avevamo ricevuto principalmente lezioni di latino e greco e ovviamente di matematica. Ma non avevamo ancora nulla in termini di chimica o fisica e la biologia non iniziò almeno uno o due anni dopo.
Alla scuola media di San Diego, ho deciso di studiare argomenti molto diversi. Ho preso lo spagnolo, per esempio. C'era anche la possibilità di fare scienza. Avevo un'insegnante molto brava, che era una donna afroamericana, che all'epoca, nel 1968, era piuttosto insolita. Era solo molto stimolante. Aveva esperimenti, aveva domande e riuscì davvero ad attirarmi nella scienza.
TKF: Ora guardiamo avanti alla promessa della Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), che è stata aperta diversi anni fa ed è tra i progetti di astronomia terrestre più ambiziosi e costosi mai realizzati. L'astrofisico Reinhard Genzel ti ringrazia per aver contribuito a forgiare il consenso internazionale dietro questo osservatorio. Come hai fatto il caso per ALMA?
EVD: ALMA è stato un successo straordinario come osservatorio in anteprima in questa gamma speciale di luce millimetrica e submillimetrica che è una finestra importante per l'osservazione delle molecole nello spazio. Oggi ALMA è costituita da 66 radiotelescopi con configurazioni da 7 e 12 metri che si estendono in una pianura d'alta quota in Cile. È stata una strada molto lunga per arrivare dove siamo ora!
ALMA è il risultato dei sogni di molte migliaia di persone. Ero uno dei due membri della parte europea del comitato consultivo scientifico statunitense per ALMA. Conoscevo bene la comunità scientifica nordamericana dai miei sei anni di lavoro negli Stati Uniti. Le due parti, così come il Giappone, avevano concetti molto diversi per ALMA. Gli europei stavano pensando a un telescopio che potesse essere usato per la chimica profonda e molto precoce dell'universo, mentre i nordamericani pensavano molto di più all'imaging su larga scala e ad alta risoluzione; un gruppo parlava della costruzione di telescopi di otto metri, l'altro di telescopi di 15 metri. [Incontra ALMA: incredibili foto di Giant Radio Telescope]
Quindi ero una delle persone che hanno contribuito a riunire questi due argomenti. Ho detto: "Se costruisci un array molto più grande, in realtà vinciamo tutti". Il piano divenne quello di riunire un maggior numero di telescopi in un array, piuttosto che array separati, che non sono così potenti. Ed è quello che è successo. Diamo il tono di lavorare insieme a questo fantastico progetto piuttosto che essere concorrenti.
TKF: Quali nuove frontiere sta aprendo ALMA in astrochimica?
EVD: Il grande salto che stiamo facendo con ALMA è nella risoluzione spaziale. Immagina di guardare una città dall'alto. Le prime immagini di Google Earth erano molto povere: non si vedeva quasi nulla; una città era una grande macchia. Da allora, le immagini sono diventate sempre più nitide poiché la risoluzione spaziale è migliorata con i satelliti integrati nelle telecamere. Oggi puoi vedere i canali [nelle città olandesi], le strade, persino le singole case. Puoi davvero vedere come l'intera città è messa insieme.
La stessa cosa sta succedendo ora con i luoghi di nascita dei pianeti, che sono questi piccoli dischi attorno a giovani stelle. Quei dischi sono da cento a mille volte più piccoli delle nuvole che abbiamo visto in precedenza dove nascono le stelle. Con ALMA, stiamo ingrandendo le regioni in cui si stanno formando nuove stelle e pianeti. Quelle sono davvero le scale rilevanti per capire come funzionano questi processi. E ALMA, in modo univoco, ha le capacità spettroscopiche per rilevare e studiare una vasta gamma di molecole coinvolte in tali processi. ALMA è un fantastico passo avanti rispetto a tutto ciò che abbiamo avuto prima.
TKF: I nuovi telescopi che hai avuto modo di usare nel corso della tua carriera si sono rivelati straordinari. Allo stesso tempo, siamo ancora limitati a ciò che possiamo vedere nel cosmo. Quando pensi alle future generazioni di telescopi, cosa speri di più vedere?
EVD: Il prossimo passo nella nostra ricerca è il James Webb Space Telescope [JWST], che verrà lanciato nel 2021. Con JWST, non vedo davvero l'ora di vedere molecole organiche e acqua su scale ancora più piccole e in diverse parti del pianeta- zone di formazione, che è possibile con ALMA.
Ma ALMA sarà essenziale per la nostra ricerca per molto tempo a venire - altri 30-50 anni. C'è ancora così tanto che dobbiamo scoprire con ALMA. Tuttavia, ALMA non può aiutarci a studiare la parte più interna di un disco che forma il pianeta, sulla scala di dove si è formata la nostra Terra, a breve distanza dal sole. Qui il gas nel disco è molto più caldo e la luce infrarossa che emette può essere catturata da uno strumento che io e i miei colleghi abbiamo contribuito a implementare per JWST.
JWST è l'ultima missione su cui ho lavorato. Ancora una volta, è stato per caso che sono stato coinvolto, ma ero in una buona posizione con i miei partner e colleghi americani per aiutare. Alcuni di noi europei e statunitensi si sono riuniti e hanno detto: "Ehi, vogliamo che questo strumento accada e possiamo farlo in una partnership 50/50".
TKF: Dato il tuo lavoro sui mattoni che compongono stelle e pianeti, il cosmo sembra suscettibile o addirittura favorevole alla vita?
EVD: Dico sempre che fornisco i mattoni, e quindi spetta alla biologia e alla chimica raccontare il resto della storia! [Risate] In definitiva, è importante il tipo di vita di cui stiamo parlando. Stiamo parlando solo della vita più primitiva e unicellulare che conosciamo sorse rapidamente sulla Terra? Dati tutti gli ingredienti che abbiamo a disposizione, non vi è alcun motivo per cui ciò non potrebbe sorgere su nessuno dei miliardi di esopianeti che ora sappiamo orbitano attorno a miliardi di altre stelle.
Andando ai passi successivi della vita multicellulare e in definitiva intelligente, capiamo ancora ben poco come ciò che emerge dalla vita più semplice. Ma penso che sia sicuro dire, dato il livello di complessità, è meno probabile che ciò si verifichi ogni volta che, per esempio, i microbi. [10 esopianeti che potrebbero ospitare la vita aliena]
TKF: In che modo il campo dell'astrochimica ci aiuterà a rispondere alla domanda se esiste vita aliena nell'universo?
EVD: Studiare la chimica delle atmosfere degli esopianeti è ciò che ci aiuterà a rispondere a questa domanda. Troveremo molti esopianeti potenzialmente simili alla Terra. Il prossimo passo sarà cercare impronte digitali spettrali, che ho menzionato prima, nelle atmosfere dei pianeti. In quelle impronte digitali cercheremo specificamente "biomolecole" o combinazioni di molecole che potrebbero indicare la presenza di qualche forma di vita. Ciò significa non solo acqua, ma ossigeno, ozono, metano e altro.
I nostri attuali telescopi riescono a malapena a rilevare quelle impronte digitali nelle atmosfere degli esopianeti. Ecco perché stiamo costruendo la prossima generazione di giganteschi telescopi terrestri, come l'Extremely Large Telescope, che avrà uno specchio che è circa tre volte più grande di qualsiasi altro oggi. Sono coinvolto nella tesi scientifica per questo e altri nuovi strumenti e la biosignatura è davvero uno degli obiettivi principali. Questa è la direzione eccitante in cui andrà l'astrochimica.
