Universets første molekylære forbindelse fundet i rummet
Efter årtiers søgen er det lykkedes forskere at bekræfte, hvordan de første molekyler blev dannet.

I begyndelsen af The Big Bang var universet utroligt tæt og ekstremt varmt. Den lille, koncentrerede klump var på størrelse med en fodbold, ifølge en populær fortolkning af teorien. 

Men efter et stort brag og en heftig omgang kernefusion udvidede universet sig hurtigt og blev koldere.

Da det unge univers nåede ned under en temperatur på 4.000 grader celsius, begyndte elektrisk ladede atomer, også kaldet ioner, at sætte sig sammen på nye måder.

Det var her, universets første molekylære forbindelse heliumhydrid opstod som HeH+. 

Sådan lyder den tidlige kemis skabelsesberetning. Men hidtil har der manglet en brik i puslespillet. HeH+ er nemlig aldrig før blevet fundet i rummet. 

Den brik er dog tilsyneladende faldet på plads her 13 milliarder år senere, hvor forskere nu for første gang har registreret molekylet i en stjernetåge 3.000 lysår fra Jorden.

»Universets kemi begyndte med HeH+. Manglen på definitive beviser i rummet har været et dilemma for astronomien i lang tid,« siger Rolf Güsten, der er hovedforfatter på det nye studie og forsker ved Max-Planck-Institut für Radioastronomie, i en pressemeddelelse.

Studiet er netop udgivet i det videnskabelige tidsskrift Nature.

LÆS OGSÅ: Sådan skal fremtidens teleskoper scanne rummet for liv

Hvad er et molekyle?
  • Atomer består af en kerne og en række elektronskaller med negativt ladede elektroner i. Kernen består af to slags partikler - de positivt ladede protoner og neutrale neutroner.
  • Molekyler er atomer, der sammenholdes af kemiske bindinger. 
  • Ioner er elektrisk ladede atomer eller molekyler, der har optaget eller afgivet en eller flere elektroner.
  • HeH+ dannes ved at et brint-atom, der har mistet sin elektron, altså H+, rammer et helium-atom og bliver til HeH+.

(Kilde: Den Store Danske / Nature/ Uffe Gråe Jørgensen)

Bekræfter tidligere teorier

Den molekylære forbindelse blev studeret i laboratorier allerede i 1925, og i de sene 1970’ere forudsagde astronomiske modeller, at den burde findes i rummet. Alligevel er det ikke lykkedes at finde forbindelsen før nu.

»Nu har forskere for første gang set den i rummet, og det giver en afklaring om, at de forudsigelser, vi har gjort os om universets tidlige kemi, er rigtige,« siger Uffe Gråe Jørgensen, der er professor MSO ved Astrofysik og Planetdannelse ved Niels Bohr Institutet. Han har ikke har været en del af det nye studie.

Jes Kristian Jørgensen, der er lektor ved Astrofysik og Planetdannelse ved Niels Bohr Institutet, er enig:

»Studiet ser rigtig overbevisende ud, og nu er det påvist, at HeH+ findes derude. Det er en brik i puslespillet, der er faldet på plads,« siger han.

Forbindelsen er fundet i stjernetågen NGC 7027, der befinder sig 3.000 lysår fra Jorden, og ifølge Uffe Gråe Jørgensen har det først været muligt at finde den nu, da tidligere teleskoper ikke har haft høj nok opløsning til at fange den infrarøde stråling fra molekylet.

»Signalet har simpelthen druknet i støj fra andre kilder,« siger han.

LÆS OGSÅ: Hvad kom før Big Bang?

Teleskop ombord på fly fandt molekylet

Ifølge Uffe Gråe Jørgensen er der altså ganske rigtigt tale om en stor opdagelse. Den er tilmed blevet gjort af holdet bag teleskopet SOFIA, der har en høj opløsning takket være instrumentet med det passende navn GREAT - German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies.

Den høje opløsning, der spænder over både mikrobølger og infrarøde bølger, gjorde forskerne i stand til at registrere den molekylelære forbindelse, men det er ikke den eneste grund til, at teleskopet er lykkedes med at opfange signalet.

Teleskopet SOFIA er nemlig ikke et helt sædvanligt teleskop. Det er ombord på et specialdesignet Boeing 747SP fly, som flyver rundt i 12-14 kilometers højde i stratosfæren, på den anden side af skydækket i Jordens atmosfære. 

»Heroppe er der ikke den samme mængde vanddamp i atmosfæren, og derfor kan teleskopet se infrarød stråling fra meget længere afstande,« siger Uffe Graae Jørgensen. 

Flyet åbner simpelthen siden, retter teleskopet mod himlen og kigger op i verdensrummet. Du kan se, hvordan det ser ud i videoen øverst i artiklen.

»Fordelen ved at have et teleskop ombord på et fly er desuden, at man kan skifte teknologien ud, så den bliver ved med at være ny. Satellitters teknologi er ofte allerede forældet med 10-15 år, når de sendes op, fordi der er så meget forberedelsestid,« siger Uffe Gråe Jørgensen.

LÆS OGSÅ: Lyden fra Big Bang kan høres i dit fjernsyn

Stjernetågen NGC 7027 befinder sig 3.000 lysår fra Jorden, og det var her forskerne fandt molekylet HeH+ (Foto: NASA/ Hubble)

Oplyst af infrarød stråling fra eksploderende stjerne

Det lyder måske utroligt, at det er muligt for et teleskop at opfange, hvilke molekyler, der befinder sig i en stjernetåge så langt væk, at det tager 3.000 år for lyset at nå Jorden.

»Det er det også, men det er simpelthen fordi, stjernetågen lyser meget kraftigt. Når en stjerne dør, så bliver det ydre lag blæst ud i rummet, og der er det, vi ser. Materialet bliver oplyst af stråling fra stjernens indre, der er 200.000 grader varm. Lyset fra sådan en døende stjerne er 10.000 gange stærkere end Solen, og derfor gør det ikke så meget, at den er langt væk,« siger Uffe Gråe Jørgensen.

Bølgelængden på den stråling, som teleskopet modtager, vil herefter afsløre, hvilket molekyle, der er tale om.

»Når man ved, hvilket molekyle, man leder efter, så kan man med stor præcision udregne hvilken bølgelængde, det kommer med. Det kan man gøre via beregninger, men holdet her har også målt molekylets bølgelængder i laboratoriet,« siger Uffe Gråe Jørgensen.

»Alle molekyler har et unikt fingeraftryk. I laboratorier på Jorden kan vi måle det, og så kan vi sammenligne det med, hvilket spektrum vi finder det i, når vi kigger efter astonomiske objekter. Jo finere opløsning på teleskopet, des bedre kan vi sige, hvilket molekyle, der er tale om,« tilføjer Jes Kristian Jørgensen.

Bølgelængden på strålingen fra HeH+ var 149,1 mikrometer.

»Det er meget infrarødt, og har derfor ikke kunnet trænge gennem atmosfæren. Derfor har det eneste andet teleskop, som har haft mulighed for at registrere det været ISO, der blev opsendt i midten af 90’erne, og det har ganske enkelt ikke haft god nok opløsning til at se det,« siger Uffe Gråe Jørgensen.

LÆS OGSÅ: Sensationel tyngdebølgemåling åbner nyt kapitel i udforskningen af rummet

SOFIA: et teleskop med høj opløsning

For at få tilstrækkelig lysintensitet i hele spektret kræver en analyse af lyset fra astronomiske objekter relativt store teleskoper, som kan samle meget lys, koblet med en lyseffektiv spektrograf.

Der skelnes mellem lavopløsningsspektrografer, som typisk opdeler lyset i 1000 forskellige bølgelængdeområder, og højopløsningsspektrografer som GREAT, hvor lyset bliver opdelt i op til mere end 100.000 bølgelængdeområder.

Strålingen fra HeH+ er infrarød stråling med en bølgelængde på 149,1 mikrometer - hvilket er en meget lang bølgelængde for infrarød stråling.

Vanddampen i Jordens atmosfære blokerer fra den slags bølgelængder, og teleskoper i rummet har ikke hidtil haft høj nok opløsning til at måle molekylet, fortæller Uffe Gråe Jørgensen.

(Kilder: Den Store Danske / SOFIA Science Center / Uffe Gråe Jørgensen.)

De næste skridt i universets skabelseshistorie

Mysteriet om universets første molekylære forbindelse er nu tilsyneladende løst. 

Og selvom vi ifølge Uffe Gråe Jørgensen allerede har en meget god forståelse for, hvordan universet opstod, så kan vi godt glæde os til at snart at lære endnu mere om, præcis hvad der skete under Big Bang.

Blandt andet bliver det 40 meter store europæiske teleskop E-ELT færdigt i 2025.

»Med det vil man kunne måle universets udvidelse direkte for første gang. Hidtil har vi kun kunnet udregne det, men med teleskopet vil man altså kunne stå og kigge på det. Det vil være et direkte bevis på, at Big Bang-teorien er rigtig,« siger han.

Forsker: Tyngdebølger kan måske afsløre, hvad der skete før Big Bang

Den første molekylære forbindelse blev ifølge forskerne dannet 300.000 år efter The Big Bang. Det er dog meget svært at sige noget om, hvad der skete før det.

»Man kan ikke se længere tilbage, fordi universet ikke havde nogle atomer, men var fyldt med elektroner. Elektroner spreder lyset, og det gør, at gassen bliver fuldstændig uigennemsigtig,« siger Uffe Gråe Jørgensen.

Alligevel mener han ikke, at det er helt udenfor rækkevidde at undersøge, hvad der skete før Big Bang.

I 2016 blev der nemlig åbnet op for en helt ny måde at undersøge universet på. Her blev for første gang registreret krusninger i rumtiden, der også kaldes tyngdebølger. Det udløste en nobelpris året efter, og med god grund. Tyngdebølger kan nemlig potentielt bruges til at måle selve Big Bang, siger Uffe Gråe Jørgensen.

»Hvis teknologien kommer til at fungere, og det tror jeg godt, den kan, så kan tyngdebølger bruges til at opfange selve eksplosionen. Og hvis man kan se, hvad der foregik her, så kan man også sige noget om, hvad der satte det i gang,« slutter han.

LÆS OGSÅ: Fysikerne jubler: Vi har fundet tyngdebølger!

LÆS OGSÅ: Opdagelsen af tyngdebølger giver Nobelpris i fysik

Hvorfor lige HeH+?

Ifølge Uffe Gråe Jørgensen og holdet bag den nye opdagelse kan vi godt regne med, at HeH+ var den første molekylære forbindelse, der blev dannet i universet.

»På det meget tidlige tidspunkt, hvor de første molekyler dannes cirka 300.000 år efter Big Bang, eksisterer der ikke andre stoffer i universet end brint og helium. Og da helium er en ædelgas, kan den ikke rigtig reagere med andre atomer,« siger han.

To brint-atomer kan i teorien godt have sat sig sammen til H2, men det er ikke så ligetil.

»Det er lidt svært at danne H2. For at det kunne lade sig gøre, har det krævet, at ét brint-atom støder ind i et støvkorn, hvorefter et andet brint-atom støder ind i samme støvkorn, og de kobler sig sammen. Men der var slet ikke nogle støvkorn på det tidspunkt,« siger Uffe Gråe Jørgensen.

Dannelsen af HeH+ sker til gengæld ved at et brint-atom, der har mistet sin elektron, H+, rammer et helium-atom, og derved danner et HeH+ molekyle. Det kan desuden reagere med endnu et brint atom og danne et H2-molekyle.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Det sker