Todisteet vaikeasti havaittavasta kemiasta maailmankaikkeuden ensimmäisistä minuuteista
Lähde: Composition: NIESYTO design; Kuva NGC 7027: William B. Latter (SIRTF Science Center/Caltech) ja N
Kuvassa näkyy HeH+:n spektri sellaisena kuin se on havaittu Great on board of Sofia -aluksella kohti planetaarista tähtisumua NGC 7027
Huolimatta siitä, että heliumhydridi-ionin HeH+ ilmaantui ensimmäisen kerran 13,8 miljardia vuotta sitten alkuräjähdyksen jälkeen, ihmiskunnan näkökulmasta katsottuna se oli kadonnut avaruuteen. Vety ja helium olivat kaksi ensimmäistä alkuainetta, ja maailmankaikkeuden äärimmäisissä syntyolosuhteissa astrokemistit olettivat niiden muodostaneen ensimmäisen molekyylisidoksen HeH+ … Rolf Güsten saksalaisesta Max Planckin radioastronomian instituutista ja kollegat tiesivät, että HeH+ voi olla olemassa – se havaittiin laboratoriossa vuonna 1925. Mutta nyt he ovat vakuuttavasti havainneet sen ensimmäistä kertaa avaruudessa, sumussa, joka on olemassa nykyisessä maailmankaikkeudessa.
”Todisteiden puuttuminen HeH+:sta herätti epäilyksiä siitä, ymmärrämmekö tämän erikoisen molekyylin muodostumista ja tuhoutumista niin hyvin kuin luulimme”, Güsten kertoo Chemistry Worldille. ”Tämä huoli on nyt poissa.”
Güsten ja kollegat havaitsivat HeH+:n rotaatioperustilan planetaarisessa tähtisumussa käyttämällä terahertsispektrometriä (THz), joka lentää ilmassa toimivassa Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (Sofia) -infrapuna-astronomian observatoriossa. Itse asiassa tämä tutkimus on yksi syy siihen, miksi saksalainen Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies -instrumentti rakennettiin.
Tutkijat eivät aiemmin onnistuneet suurista ponnisteluista huolimatta löytämään HeH+:n värähtelevän infrapunaspektroskopian todisteita. Terahertsispektrometria on vaikea vaihtoehto. HeH+:n rotaation perustilan aallonpituus on 149,137 µm. Maan ilmakehän otsoni ja vesi peittävät kaiken tämän valon, joten tutkijoiden oli noustava stratosfääriin.
Lähde: Vasemmalla: © Carlos Duran/MPIfR; Oikealla: © NASA Photo/Jim Ross
Suuren kaukoinfrapunaspektrometri (vasemmalla) on kiinnitetty lentävän observatorio Sofian teleskooppilaippaan (oikealla)
Vaikka paljon tavallisemmista hiilen ja vedyn välisistä sidoksista peräisin olevat spektroskooppiset piirteet näkyvät 149,09 µm:n ja 149,39 µm:n kohdalla. Onnistuminen vaati siis suurta spektristä erotuskykyä ja erittäin herkkiä antureita, sillä Güstenin työryhmä odotti signaalin olevan heikko. Myös 149,137µm:n signaalin 2THz:n taajuusalueen saavuttaminen ”vaati useita vuosia teknistä kehitystä”.
”Tämä on hieno ensimmäinen havainto molekyylilajista, joka on varmasti kiinnostava ja merkityksellinen laajemmalle tähtitieteelliselle yhteisölle, ja tämä havainto avaa oven jatkotutkimuksille”, kommentoi tähtitieteilijä Jan Cami Länsi-Ontarion yliopistosta Kanadasta.
Güsten ja kollegat etsivät lisää HeH+:ia muun muassa Sofian seuraavan kerran lentäessä kesäkuussa. Mutta nyt kun he tietävät, että HeH+ on olemassa, he voivat alkaa etsiä sitä kauempaa ajassa taaksepäin kohti alkuräjähdystä. He hyödyntävät kosmologista punasiirtymää, joka on samankaltainen kuin se, miten havaitsijoista etääntyvien kohteiden lähettämät aallonpituudet laajenevat Doppler-siirtymässä. Tämä moninkertaistaa HeH+:n aallonpituuden noin kymmenkertaiseksi, hän selittää, jolloin nuoren maailmankaikkeuden valo tulee näkyviin ”suurista maanpäällisistä observatorioista”, Güsten sanoo.