Jumbojettiin asennettu SOFIA-teleskooppi haravoi yhtä taivaan kaistaletta vuosikausia hitaasti ja järjestelmällisesti infrapunasäteilyn aallonpituudella samaan tapaan kuin autoradio etsii radiokanavia tietyltä taajuudelta.
SOFIA kävi sille annetun kaistaleen jo läpi kolmesti löytääkseen sieltä juuri sen aallonpituuden, joka on ominainen heliumhydridi-nimiselle ionille.
Molekyyli jäi sen haaviin vihdoin vuonna 2016. Heliumhydridi-ioni koostuu helium- ja vetyatomista, ja sillä on ollut tärkeä rooli maailmankaikkeuden kehityksessä.
Yksinkertaisen molekyylin oletetaan olevan ensimmäinen alkuräjähdyksen jälkeen syntynyt maailmankaikkeuden rakennuspalikka.
Teorian mukaan se antoi myöhemmin sysäyksen vetymolekyylien synnylle. Ne kerääntyivät valtaviksi pilviksi, joista ensimmäiset tähdet ja galaksit aikoinaan tiivistyivät.
Alkumolekyyli sysäsi näin alkuun prosessin, joka ajan mittaan tuotti lisää alkuaineita, planeettoja ja kaiken elämän. Aiemmin tälle teorialle ei ollut saatu vahvistusta sitkeästä etsinnästä huolimatta.
Molekyyli leikki kuurupiiloa
Jo noin 95 vuoden ajan tähtitieteilijät olivat olleet selvillä siitä, mitä teorian vahvistamiseksi pitäisi löytää. Vuonna 1925 laboratoriokokeessa oli selvinnyt, että jalokaasu helium, joka normaalisti ei juuri reagoi muiden atomien kanssa, saattaa kuitenkin reagoida vety-ytimien kanssa.
Kun ne sitoutuvat toisiinsa, syntyy vakaa heliumhydridi-ioni HeH+, jota pidettiin siksi maailmankaikkeuden ensimmäisenä molekyylinä.
1970-luvun lopulta asti tiedettiin myös se, mistä molekyyliä kannatti etsiä: NGC 7027 -tähtisumusta, joka sijaitsee vain noin 3 000 valovuoden päässä Maasta ja ympäröi kuumaa ja kirkasta valkoista kääpiötä.
Maailmankaikkeuden alkuaineet ovat saaneet alkunsa heliumhydridimolekyyleistä, joita on nyt ensimmäistä kertaa löydetty nuorta universumia muistuttavasta tähtisumusta.
Aikaisemmin tähti muistutti Maata mutta paisui sitten punaiseksi jättiläiseksi. 600 vuotta sitten se puhalsi uloimmat kerroksensa avaruuteen.
Runsasenergiainen säteily ja 4 000 asteen lämpötila luovat sitä ympäröivään pilveen samantyyppiset olosuhteet kuin missä alkumolekyyli syntyi.
Molekyyliä etsittiin tähtisumusta useasti turhaan. Sitä oli etsitty aiemminkin myös Infrared Space Observatory- ja Spitzer-teleskoopeilla, mutta koska sen säteilyn aallonpituus on 149,137 mikrometriä, se sekoittui toiseen kaasusumun molekyyliin, joka koostui hiilestä ja vedystä.
SOFIA löysi kiistattomat todisteet
Havainnot tehtiin Boeing 747- koneesta, jonka takaosaa oli vahvistettu niin, että runko ei katkennut, kun sen kyljestä avattiin 13 700 metrin korkeudessa neljän neliömetrin laajuinen liukuovi.
Sieltä läpimitaltaan 2,5-metrisellä Stratospheric Observatory for Infrared Astronomylla eli SOFIA-teleskoopilla oli vapaa näkymä avaruuden lämpösäteilyyn, jota ei voi erottaa maanpinnalta, koska ilmakehän vesihöyry imee sen itseensä.
SOFIAn spektrometri erottaa heliumhydridin aallonpituuden, joka on 149,137 mikrometriä. Aiemmissa mittauksissa se sekoittui toisen molekyylin 149,09 mikrometrin aallonpituuteen.
Lentävä teleskooppi sai kiikariinsa alkumolekyylin
SOFIA-teleskooppi on rakennettu jumbojetin sisään. Sen tehtävänä on ollut yksinomaan etsiä maailman ensimmäistä molekyyliä, heliumhydridiä. Molekyylistä lähtee infrapunasäteilyä, jota ei voi erottaa Maan pinnalta, koska ilmakehän vesihöyry häiritsee tarkkailua. 12–14 kilometrin korkeudessa 99 prosenttia vesihöyrystä jää koneen alapuolelle ja näkymät ovat lähes yhtä esteettömät kuin avaruusteleskoopista.
Läpimitaltaan 2,5 metrin suuruista teleskooppia on koko ajan päivitetty. Esimerkiksi vuonna 2015 se sai uuden spektrometrin, joka auttaa sitä tarkentamaan tiettyyn aallonpituuteen. Hiljattain uusituilla välineillä SOFIA havaitsikin heliumhydridin säteilyä tähtisumu NGC 7027:stä, mistä sitä löytyi kolmetuhatta molekyyliä kuutiometristä.
SOFIA vietti ilmassa vuosikausia, mutta läpimurto tapahtui vasta vuonna 2016. Tuolloin SOFIA käytti uutta saksalaista huipputarkkaa spektrometria, joka pystyi erottamaan infrapuna-aallonpituudet toisistaan.
Tarkkuuden ansiosta SOFIA rekisteröi NGC 7027 -tähtisumusta selkeän puhtaan heliumhydridisignaalin. Löytö varmistettiin vielä kahdella muulla lennolla, joilla tähtisumua tarkkailtiin kaikkiaan 71 minuuttia.
Todisteet molekyylin olemassaolosta avaruudessa tukevat teoriaa siitä, että juuri helium ja vety muodostivat ensimmäisen kemiallisen yhdisteen.
”Nyt voimme vihdoin sanoa varmasti, miten ensimmäinen molekyyli syntyi ja miten se käynnisti kemiallisia reaktioita nuoressa maailmankaikkeudessa”, toteaa tutkimusjohtaja Rolf Güsten Radioastronomian Max Planck -instituutista Bonnista Saksasta tutkimusryhmänsä tulosten julkaisemisen jälkeen vuonna 2019.
VIDEO: SOFIA havaitsi universumin ensimmäisen molekyylin
Credit: NASA/Ames Research Center
Alkumolekyyli synnytti vetypilvet
Reaktiosarjan seuraava askel oli se, että heliumhydridi reagoi vapaana oleviin vety-ytimiin, jolloin syntyi sähkövarauksettomia vetymolekyylejä (H2) ja heliumatomeja (He).
Ne olivat 200 miljardin galaksin ja tuhansien biljoonien tähtien alku.
Vetymolekyylit kerääntyivät valtaviksi kaasupilviksi, jotka romahtivat kasaan ja tiivistyivät noin 200 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen ensimmäisiksi kääpiögalakseiksi.
Niissä oli jättiläistähtiä, joiden elinkaari oli lyhyt ja jotka räjähtivät voimakkaina supernovina ja sinkosivat valtaosan massastaan avaruuteen.
Kaikkeuden ensimmäinen molekyyli toimi tähtien doulana
Ensimmäiset atomit muodostuivat
Kun nuori maailmankaikkeus jäähtyi hieman, plasmasta alkoi erottua sähkövarauksettomia alkuainemolekyylejä. Ensin muodostui helium, sillä sen kaksi positiivista protonia pystyivät pitämään kiinni kahdesta negatiivisesta elektronista. Vety-ytimet eivät vielä pystyneet sieppaamaan elektroneja.
Helium sitoi vedyn itseensä
Heliumatomi veti puoleensa vety-ytimiä, jotka alkoivat jakaa niiden kanssa elektronin. Näin syntyi ensimmäinen molekyyli, heliumhydridi-ioni. Molekyyli ”virittyi” energian määrän kasvaessa, ja koska se pyrkii
aina tasapainotilaan, energia purkautui fotonin vapautumisena.
Ionit ruokkivat vetypilvien syntyä
Tähtisumun fotoni osui heliumhydridiin, joka sai näin kylliksi energiaa uuden vety-ytimen vangitsemiseen. Nyt ioni hajosi heliumatomiksi ja vetymolekyyliksi, jotka ovat sähkövarauksettomia. 200 miljoonan vuoden päästä vetymolekyylipilvet tiivistyivät ensimmäisiksi tähdiksi ja galakseiksi.
Vain vety, helium ja litium syntyivät alkuräjähdyksen seurauksena, ja kaikki muut alkuaineet uraaniin asti syntyivät tähdissä ja sinkoutuivat tähtisumuista ulos tähtien räjähdettyä.
Alkuaineiden reagoiminen keskenään tuotti orgaanisia yhdisteitä, kuten metanolia ja sokereita.
Ihmiskehon tärkeimmät rakennusaineet, kuten happi, hiili, typpi, kalsium ja fosfori, ovat peräisin tähtisumuista.
SOFIAn spektrometri jäähdytetään mittauksia varten lähes absoluuttiseen nollapisteeseen. Spektrometrin nimi on GREAT – German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies.
Ilman heliumia ja vetyä ei olisi syntynyt tähtiä, planeettoja, kasveja eikä eläimiä.
Molekyylin löytyminen on tärkeä välivaihe maailmankaikkeuden varhaisvuosien selvittämisessä.
Seuraavaksi molekyyliä on määrä tarkkailla toiminnassa kaukaisemmissa ja vanhemmissa tähtisumuissa.