Csillaganyagból vagyunk
Jégbe csapódó ionok az űrben és a laboratóriumban – Út az élet keletkezéséhez?
A világűrben rengeteg jég van. Vastag jégrétegek találhatók a Naprendszer több külső bolygójának holdjain. Sok a jég az üstökösök anyagában, de jégréteg borítja a Naptól távolabbi szemcséket, űrtörmelékeket, szikladarabokat is. A Naprendszertől és galaxisunktól távoli porfelhők apró szemcséire is jég tapad. Néhány kelvin abszolút hőmérsékleten szinte minden, néhány atomos molekulákból álló anyag jég formájában létezik. Ilyen a víz, a szén-dioxid, a szén-monoxid, az oxigén, a hidrogén, a nitrogén, az ammónia, a metán és ezek keverékei.
A jegeket folyamatosan bombázzák azok a nagy energiájú részecskék, amelyek a csillagokból és még forróbb rokonaikból, a nóvákból, szupernóvákból, neutroncsillagokból és bizonyos energia felett nem is tudjuk, honnan erednek. Ezek közelében igen erős a központi égitestből eredő csillagszél, amely néhány száz elektronvolttól a sok millió elektronvoltos tartományig terjedő, állandó ionáramlás. A napszél ionjai igen komoly mennyiségben érkeznek hozzánk is, hatásuktól a Föld mágneses tere véd meg bennünket és más élőlényeket. A mágneses térrel nem rendelkező bolygókat és holdakat vagy a kisméretű égitesteket azonban ez a sugárzás folyamatosan éri. Még nagyobb energiákon a ritkábban érkező, Naprendszeren kívüli eredetű kozmikus sugárzás az uralkodó.
Ezek a részecskék szünet nélkül bombáznak minden űrbeli tárgyat, égitestet, porszemcsét. Persze nemcsak ezek. Az elektromágneses sugárzás fotonjai is széles spektrumban bombázzák őket az infravöröstől a röntgentartományig. Elegendő energiájú becsapódás a molekulák széttöréséhez, alkotórészeikre való szétesésükhöz vezet. Igaz ez a jegekben is. Ott azonban a molekulatöredékek könnyen léphetnek kölcsönhatásba egy nagyon hideg, sűrű környezet molekuláival, és jó esély nyílik új molekulák felépítésére; nagy valószínűséggel jöhet létre molekulaszintézis. A nagyon hideg közeg nagyon kis térfogatába bejuttatott óriási energia olyan molekulákat hozhat létre, melyek alapvető fontosságúak lehetnek az élet kialakulásában. Ez adja az ezen a területen folyó kutatások igazi jelentőségét.
Távoli molekulafelhőkben például gyűrűs szerkezetű szerves molekulák, az ún. poliaromatikus szénhidrogének jelenlétét lehet megfigyelni. Hogyan? A kulcsot ehhez a spektroszkópia adja. Például az infravörös fénnyel megvilágított molekulákat meghatározott energiájú fotonok erős rezgésbe tudják hozni. A gerjesztett molekula pedig ki is bocsát ugyanolyan energiájú fotonokat. Ha sok ilyen azonos molekula van együtt, az adott molekula adott rezgésére jellemző frekvenciájú kibocsátott (emittált) infravörös sugárzást igen nagy távolságokból is észlelhetjük. Az ilyen molekulafelhőn áthaladó csillagfényből pedig ugyanazok a frekvenciák hiányozni fognak, a sugárzásnak ez a része abszorbeálódik.
A távolból érkező sugárzások spektrumát mérni nem elég. Akkor sem, ha ezt ma már a Föld körül keringő műholdakon elhelyezett spektrométerekkel, a légkör zavaró hatásait kiküszöbölve tudjuk végezni. A Naprendszeren belül az űrszondákat oda is lehet küldeni, ahol az ionok jégbe csapódnak. Így közelről lehet vizsgálni, mi is történik. Ilyen többek között a Jupiter jeges holdjait vizsgáló, 2022-ben induló JUICE vagy a Szaturnusz környezetét kutató, küldetését sikeresen teljesítő Cassini űrszonda.
A pontos felderítéshez azonban még ez sem elég. A szondákkal lehet mérni a teljes infravörös, látható és ultraibolya spektrumot, a becsapódó ionok energia és ionfajta szerinti gyakoriságát, de az adatok megértéséhez szükség van az egyedi folyamatok tanulmányozására is.
Laboratóriumban létre lehet hozni egy pontosan ismert összetételű és vastagságú jégkeveréket néhány kelvin hőmérsékleten, és bombázni lehet ismert fajtájú és energiájú ionok ismert mennyiségével. Spektroszkópiai módszerekkel mérve a besugárzás előtt a jég összetételét, majd a besugárzás hatására történő kémiai változásokat, megismerhetjük a lezajló elemi folyamatokat, és kulcsot kaphatunk a szondák által mért összetett spektrumok értelmezéséhez.
Egy tipikus besugárzó kamra felépítését az alábbi ábra mutatja. A méréseket vákuumban kell végezni. A lehűtött, infravörös sugárzás számára átlátszó fóliára csapódik le a beeresztett gázkeverékből keletkező jég. Az infravörös frekvenciatartományt átfogó spektrométer nyalábját a mintán átengedve megmérhetjük, hogy milyen frekvenciákat nyel el a jég. Ebből az abszorpciós spektrumból azonosíthatók a jégben a molekulák, molekulatöredékek besugárzás előtt és után.
Ilyen laboratóriumi asztrofizikai programba kapcsolódnak most be a több mint 30 országot átfogó EUROPLANET nemzetközi együttműködés keretében az Atomki molekulafizikusai.
Az új Tandetron gyorsító (lásd az alábbi képet) szolgáltatja a fontosabb ionokat a napszél és az alacsony energiájú kozmikus sugárzás energiatartományában. A 10–15 K hőmérsékletű jegek besugárzására szolgáló vákuumkamrát a University of Kent és a Queen Mary University of London kutatói állították össze.
Sulik Béla
Atomki
