Cząsteczka - zagadka

Naukowcy wykryli w kosmosie zaskakująco skomplikowaną cząsteczkę – kation dwuacetylenu.

W międzygwiazdowych obłokach o ekstremalnie małej gęstości naukowcy, m.in. Polacy, znaleźli cząsteczkę chemiczną o nieoczekiwanie złożonej strukturze. Odkrycie zmusza do zmiany sposobu myślenia o procesach chemicznych zachodzących w pozornie pustych obszarach Galaktyki.

Badania z użyciem ośmiometrowego teleskopu w Paranal Observatory w Chile przeprowadził zespół naukowców z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (UMK) w Toruniu, Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie oraz Uniwersytetu w Seulu. Grupą kieruje prof. dr hab. Jacek Krełowski z Centrum Astronomii UMK.

Znaleziona przez naukowców cząsteczka to kation dwuacetylenu. Dwuacetylen jest cząsteczką nieoczekiwanie dużą jak na przezroczyste obłoki międzygwiazdowe. Dotychczas znajdowano tam połączenia co najwyżej trzech atomów: węgla C3 i wodoru H3+. Aby wyjaśnić obecność kationu dwuacetylenu, będziemy musieli zweryfikować obecne modele astrochemiczne - podkreśla jeden z odkrywców, doc. dr hab. Robert Kołos z Zespołu Astrochemii Laboratoryjnej IChF PAN.

Gęstość przezroczystych obłoków międzygwiazdowych jest ekstremalnie mała. - Rozcieńczenie materii w takich obłokach odpowiada gęstości otrzymanej w wyniku rozprowadzenia jednej szklanki powietrza w pustym sześcianie o podstawie mającej powierzchnię małego kraju. To znacznie mniej od najlepszej próżni wytwarzanej w laboratoriach - wyjaśnia Kołos. Obłoki te mają jednak ogromne rozmiary, sięgające nawet kilkudziesięciu lat świetlnych, dlatego znajdujące się w obłokach cząsteczki mają szansę oddziaływać z penetrującym obłok promieniowaniem elektromagnetycznym.

Badaniem oddziaływań promieniowania z materią zajmuje się dział nauki zwany spektroskopią. Cząsteczki pochłaniają i emitują fotony wyłącznie o określonych energiach (a zatem i długościach fal), odpowiadających różnicom między poziomami energetycznymi charakterystycznymi dla danej cząsteczki - tłumaczą przedstawiciele IChF PAN. Zatem wskutek oddziaływania z rozrzedzonymi gazami w przezroczystych obłokach, powszechnymi w naszej i innych galaktykach, światło gwiazd dociera do Ziemi nieco zmienione. Brakuje w nim fal o pewnych długościach - tych, które zostały zaabsorbowane przez atomy i cząsteczki chemiczne znajdujące się po drodze.

W latach 20. XX wieku astrofizycy zaobserwowali, że światło jest pochłaniane przez ośrodek międzygwiazdowy w sposób, którego nie udało się wyjaśnić obecnością wówczas znanych, bardzo prostych składników gazu międzygwiazdowego. Dzisiaj za pomocą fal radiowych wykrywa się cząsteczki dość duże - rekordzistą jest liczący 13 atomów cyjanopoliacetylen HC11N - ale rodzą się one wewnątrz gęstych, nieprzezroczystych obłoków, gdzie są chronione przed niszczącym promieniowaniem. Cząsteczki o budowie niesymetrycznej - takiej jak wspomniany cyjanopoliacetylen: liniowy ciąg atomów węgla zakończony z jednej strony wodorem, z drugiej azotem - są zdolne do emitowania lub pochłaniania fal radiowych.

Kation dwuacetylenu pozostawał długo nieuchwytny, ponieważ jest symetryczny, a zatem niewidzialny dla radioteleskopów. Obecne obserwacje optyczne sugerują jednak, że jest to dość pospolity składnik ośrodka międzygwiazdowego.

- Osobliwe właściwości optyczne obłoków przezroczystych, związane z obecnością tzw. rozmytych linii absorpcji międzygwiazdowej DIB, czyli Diffuse Interstellar Bands, pozostają tajemnicą od prawie 90 lat. Zyskały nawet miano najstarszej nierozwiązanej zagadki spektroskopii - stwierdza prof. Jacek Krełowski. - Obecne odkrycie pozwoliło dodać do zbioru DIB nową linię i zarazem zidentyfikować ją jako pochodzącą od kationu dwuacetylenu H-CC-CC-H+.

Według naukowców, dzięki wykryciu kationu dwuacetylenu można przypuszczać, że wśród rozmytych linii międzygwiazdowych są i inne pochodzące od podobnych, symetrycznych cząsteczek. - Wydaje się prawdopodobne, że zagadka DIB zostanie wkrótce w istotnej części wyjaśniona - uważa Kryłowski.