Fra en jumbojet med indbygget teleskop skanner astronomer langsomt og metodisk et udsnit af himlen for bølgelængder af infrarød stråling, som når en bilradio leder efter en radiokanal med en bestemt frekvens.
Tre gange har teleskopet SOFIA skannet himlen efter stråling i den bølgelængde, som molekylet heliumhydrid udsender.
I 2016 var der bingo. Molekylet er sammensat af et helium- og et brintatom og fylder en vigtig tom plads i universets udviklingshistorie.
Det simple molekyle er nemlig ifølge teorier den første byggesten i universet.
Heliumhydrid dannede senere brintmolekyler, der efter big bang samlede sig i enorme skyer, som fødte universets første stjerner og galakser.
Dermed satte urmolekylet gang i den proces, der over tid skabte de fleste grundstoffer, planeter og alt liv. Men indtil nu har det på trods af en ihærdig jagt gemt sig for astronomerne og sået tvivl om vores teorier om universet.
Molekyle gemmer sig i årevis
I cirka 95 år har astronomerne vidst, hvad de ledte efter. I 1925 viste laboratorieforsøg, at ædelgassen helium, der normalt nødigt reagerer med andre atomer, kan reagere med en brintkerne.
Sammensmeltningen danner den stabile ion heliumhydrid – HeH+ – som astronomerne lige siden har ment, er universets første molekyle. Siden sidst i 1970’erne har forskerne også kendt det oplagte sted at lede efter molekylet: stjernetågen NGC 7027.
Al kemi i universet begyndte med det simple molekyle heliumhydrid, som astronomer nu for første gang har fundet i en stjernetåge, der ligner det glohede, unge univers.
Stjernetågen befinder sig blot 3000 lysår fra Jorden, hvor den omgiver en varm og stærkt lysende, hvid dværgstjerne. Tidligere lignede stjernen Solen, men svulmede op til en rød kæmpestjerne.
For 600 år siden sendte den sine ydre lag ud i rummet og blev til en hvid dværg omgivet af en tætpakket gassky. Med energirig stråling og en temperatur på 4000 grader gengiver skyen forholdene i det unge univers, hvor urmolekylet opstod.
Trods gentagne forsøg er det imidlertid ikke lykkedes at spotte molekylet i stjernetågen.
De to rumteleskoper Infrared Space Observatory og Spitzer har fx begge tidligere ledt efter heliumhydrid uden held, fordi ionens bølgelængde på 149,137 mikrometer ligger klos op ad bølgelængden på et molekyle af kulstof og brint i stjernetågen.
Men nu har astronomer fundet beviset.
SOFIA finder uomtvisteligt bevis
Observationerne er gjort fra en Boeing 747, der er blevet kraftigt forstærket i bagkroppen, så skroget ikke knækker, når astronomer i 13.700 meters højde åbner en fire kvadratmeter stor skydedør i siden.
Herfra har det 2,5 meter store teleskop Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA, frit udsyn til rummets infrarøde varmestråling, som ikke kan ses fra Jorden, fordi atmosfærens vanddamp absorberer strålingen.
SOFIA’s spektrometer kan tydeligt finde heliumhydrids bølgelængde på 149,137 mikrometer. Tidligere målinger blev forstyrret af et andet molekyle med en bølgelængde på 149,09 mikrometer.
Flyvende teleskop spotter urmolekylet i hobetal
Teleskopet SOFIA er indbygget i en jumbojet og som skabt til at søge efter universets første molekyle, heliumhydrid. Molekylet udsender infrarød varmestråling, som ikke kan ses fra Jorden, fordi vanddamp i atmosfæren absorberer strålingen. Fordi flyet flyver i 12-14 kilometers højde, er teleskopet hævet over 99 procent af vanddampen, og SOFIA har derfor et næsten lige så godt udsyn som et rumteleskop.
Tilmed bliver det 2,5 meter store teleskop løbende opdateret, fx i 2015 med et nyt spektrometer, der kan stille skarpt på en ekstremt specifik bølgelængde. Med det nyligt opdaterede udstyr kan SOFIA observere strålingen fra heliumhydrid i stjernetågen NGC 7027, hvor astronomerne har fundet 3000 af molekylerne i hver kubikmeter.
SOFIA har været i luften i årevis, men missionen lykkedes først i 2016. Her medbragte SOFIA et nyt tysk spektrometer med ultrahøj opløsning, der kan skelne mellem infrarøde bølgelængder lige ved siden af hinanden.
Med spektrometrets præcision fangede SOFIA et klart, utvetydigt signal fra heliumhydrid i stjernetågen NGC 7027. Gennembruddet er siden blevet bekræftet på yderligere to flyvninger, der bragte den samlede observationstid af stjernetågen op på i alt 71 minutter.
Beviset på molekylets eksistens i rummet underbygger astronomernes teori om, at helium og brint skabte den første kemiske binding mellem to atomer ved at dele elektroner, en såkaldt kovalent binding.
“Nu kan vi endelig fjerne tvivlen om, hvordan det første molekyle opstod og satte gang i kemiske reaktioner i det unge univers,” sagde forskningsleder Rolf Güsten fra Max-Planck-Institut für Radioastronomie i Bonn efter offentliggørelsen af forskergruppens resultater i 2019.
VIDEO: SOFIA opdager universets første molekyle
Credit: NASA/Ames Research Center
Urmolekyle fødte brintskyer
Den næste reaktion skete, da heliumhydrid sammen med frie brintkerner producerede brintmolekyler, H2, og neutrale heliumatomer. Dét banede vejen for de 200 milliarder galakser og billiarder af stjerner i universet.
Brintmolekylerne samlede sig i enorme gasskyer, som kollapsede cirka 200 millioner år efter big bang og dermed fødte de første dværggalakser.
Galakserne rummede kæmpestjerner, der levede kort og endte i gigantiske supernovaeksplosioner, som slyngede det meste af deres masse ud i rummet.
Universets første molekyle var fødselshjælper for stjernerne
De første neutrale atomer opstår
Da temperaturen i det unge univers falder, går de første grundstoffer ud af deres plasmaform. Helium danner de første neutrale atomer, fordi kernens to positive protoner har energi nok til at fastholde to negative elektroner. Brintkerner kan endnu ikke fange elektroner og danne neutrale brintatomer.
Helium forbinder brint i første molekyle
Et heliumatom tiltrækker en brintkerne, som det binder sig til ved at dele sin ene elektron. Resultatet er universets første molekyle, en heliumhydrid-ion. Bindingen øger molekylets energi, så det udsender en lyspartikel, en foton, for at nå sit laveste energiniveau, som molekylet altid søger.
Ioner hjælper brintskyer på vej
En foton fra stjernetågen rammer en heliumhydrid-ion og gør den energirig nok til at fange en brintkerne mere. Ionen spalter i et heliumatom og et positivt ladet brintmolekyle, der vha. to elektroner bliver neutralt. 200 mio. år senere kollapser store skyer af brintmolekyler og føder de første stjerner og galakser.
Bortset fra brint, helium og litium, som blev dannet ved big bang, er alle grundstoffer op til uran skabt i stjerner og sendt ud i stjernetåger efter deres levetid.
Siden har grundstofferne reageret med hinanden og dannet forstadier til biologiske molekyler, fx metanol og sukkerstoffer.
Menneskekroppens vigtigste byggesten som ilt, kulstof, kvælstof, kalcium og fosfor stammer allesammen fra stjernetåger.
SOFIA’s spektrometer skal køles ned til cirka det absolutte nulpunkt for at lave sine målinger. Instrumentet hedder GREAT – German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies.
Uden det simple urmolekyle af helium og brint var hverken stjerner, planeter eller Jordens planter og dyr nogensinde blevet skabt.
Med fundet af molekylet har astronomerne knækket en vigtig mellemregning i teorierne om de første trin i universets udvikling.
Næste skridt bliver at se molekylet i aktion i fjernere, ældre stjernetåger.