Razporeditev eksotičnih molekul v prostoru med zvezdami naše galaksije
15. avgusta 2014 je bil v prestižni reviji Science Objavljen članek z naslovom Pseudo three-dimensional maps of the diffuse interstellar band at 862 nm, prvopodpisanih Janeza Kosa in prof. Tomaža Zwittra. Članek se ukvarja s problemom tako imenovanih medzvezdnih absorpcijskih pasov, sledmi eksotičnih molekul v prostoru med zvezdami. Predstavljene so prve meritve lastnosti teh pasov, ki so neposredno povezane s fizikalnimi lastnostmi neznanih molekul, ki jih povzročajo.
Prostor med zvezdami je skoraj prazen, saj je v vsakem kubičnem centimetru le nekaj deset atomov. To ni veliko, pravzaprav je to mnogo redkeje od najboljšega vakuuma, ki ga znamo narediti v laboratoriju. Tako gostoto delcev bi dobili, če bi zrak v kabini vašega avtomobila razporedili po celotni prostornini Zemljine atmosfere. Vendar vesolje je ogromno, zato se v okolici diska naše Galaksije nabere zelo veliko prašnih delcev, atomov in preprostih molekul ter – vse tako kaže – tudi precej zapletenih organskih makromolekul. Slednje so najverjetneje odgovorne za šibko vpijanje specifičnih barv svetlobe zvezd v ozadju. Temu vpijanju pravimo medzvezdni absorpcijski pasovi (MAP, angl. Diffuse Interstellar Bands). Vpliv makromolekul je drugačen od prahu, ki v medzvezdnem prostoru absorbira svetlobo vseh barv. Njihov vpliv se razlikuje tudi od podpisa, ki ga v svetlobi zvezd pustijo posamezni atomi ali preproste molekule v medzvezdnem prostoru. Čeprav je od odkritja MAP-ov minilo že skoraj sto let, pa žal še vedno nobenega od teh absorpcijskih pasov ne znamo povezati s konkretno sestavo makromolekule. MAP-e lahko študiramo v svetlobi posameznih zvezd, druga pot pa je, da raziskujemo njihove splošne lastnosti v velikih zbirkah spektrov zvezd, ki so bili posneti z namenom raziskovanja lastnosti in nastanka naše Galaksije, čemur rečemo galaktična arheologija.
Karte kažejo delež svetlobe, ki ga absorbira MAP (levi stolpec) in prah (desni stolpec). Rdeča barva pomeni večjo absorpcijo svetlobe kot modra barva. Opazovalec je v sredini vsake karte. V zgornji vrsti so karte za nebo severno in v spodnji za nebo južno od ravnine Galaksije. Na kartah so vrednosti, ki bi jih opazovalec izmeril za zvezdo, ki bi ležala v ravnini Galaksije. Vendar pregled neba RAVE ni opazoval zvezd v tej ravnini, ampak le zvezde na različnih razdaljah in proč od ravnine. Tako so zgornje karte projekcija dejanskih meritev na Galaktično ravnino, kar omogoča kvantitativno primerjavo moči absorpcije v različnih smereh neba.
Mednarodna skupina astronomov pod vodstvom Janeza Kosa in prof. Tomaža Zwittra z ljubljanske Fakultete za matematiko in fiziko (astro.fmf.uni-lj.si/) je 15. avgusta v prestižni reviji Science objavila članek, v katerem prvič raziščejo trodimenzionalno prostorsko strukturo teh medzvezdnih oblakov makromolekul. Študija razišče tudi razlike med razporeditvijo makromolekul in drugih delcev v prostoru med zvezdami. Iz tega je mogoče izpeljati fizikalne lastnosti povzročiteljev MAP-ov in s tem nakazati lastnosti teh doslej nedoločljivih makromolekul.
V smeri pravokotni na ravnino Galaksije sta porazdelitvi makromolekularnih povzročiteljev MAP-ov in prahu dobro opisani s preprosto eksponencialno zvezo. Gostoto MAP-ov ali prahu opišemo z gostoto projecirano na Galaktično ravnino in eksponencialno debelino, ki meri, kako hitro se manjša gostota v smeri pravokotni na ravnino Galaksije. Eksponencialno debelino določimo ločeno za makromolekule in za prah, tako da primerjamo vpito svetlobo na različnih razdaljah (z) od Galaktične ravnine. Izmerjeni eksponencialni debelini sta 381±15 svetlobnih let za prah in 681±39 svetlobnih let za MAP-e. Tako velika razlika je presenečenje, saj se zgostitve prahu in makromolekul navadno dobro ujemajo.
Raziskava gradi na opazovanjih spektroskopskega pregleda neba RAVE (Radialnohitrostni vesoljski eksperiment, www.rave-survey.org), ki združuje kakih 50 astronomov iz evropskih držav, Avstralije in Severne Amerike. Opazovanja za ta pregled neba so bila narejena s teleskopom UK Schmidt Avstralskega astronomskega observatorija, s katerim so v bližnji infrardeči svetlobi posneli spektre približno pol milijona zvezd. Spektroskopija preučuje svetlost objekta v celi lestvici tesno nanizanih valovnih dolžin svetlobe. Iz spektrov je mogoče določiti vrsto lastnosti opazovanih zvezd, med drugim tudi njihovo razdaljo. Ta trodimenzionalna prostorska umeščenost posamezne zvezde je zelo dragocena, saj tako vemo, da se je absorpcija svetlobe v medzvezdnem prostoru, ki povzroči MAP, zgodila nekje na oddeljenosti med nami in razdaljo do opazovane zvezde. Ko združimo opazovanja več stotisoč zvezd, je končni rezultat trodimenzionalna struktura absorpcij v medzvezdnem prostoru.
Karti izmerjene absorpcije makromolekul umeščeni v del naše Galaksije, ki ga pokrivata. Avtorske pravice: Janez Kos, kolaboracija RAVE, Nick Risinger.
MAP-i so komajda opazne strukture v spektrih in jih je relativno lahko opaziti le v svetlobi vročih zvezd, ki pa jih je malo. Tako je bila največji izziv ločevanje med absorpcijo svetlobe v atmosferah opazovanih zvezd in med absorpcijami v medzvezdnem prostoru. Poznavanje absorpcij v atmosferah zvezd je bilo treba poznati tako natančno, da tega ni bilo mogoče izračunati iz obstoječih modelov za zvezde. Astronomi so zato iz polmilijonskega nabora opazovanih spektrov sestavili empirične modele spektrov zvezd, ki so bili dovolj natančni, da je bilo zaznati dodatne absorpcije zaradi MAP-ov. Moč MAP-a pri valovni dolžini 862 nanometrov – absorpcije okoli te valovne dolžine -- so sestavili v trodimenzionalno karto njegovega povzročitelja – še neidentificirane makromolekule. Karta pokriva južno nebo do razdalje skoraj 10 tisoč svetlobnih let, saj je to območje opazoval pregled neba RAVE. MAP-e pogosto povezujejo s prahom v medzvezdnem prostoru. Članek predstavlja tudi trodimenzionalno karto porazdelitve prahu, ki so jo sestavili neodvisno od meritev MAP-ov.
Karte predstavljene v članku so sploh prve trodimenzionalne karte za katerokoli vrsto makromolekule, ki kot eno od koordinat uporabljajo tudi razdaljo. Njihovo preučevanje pokaže, da gostota makromolekul z razdaljo od ravnine naše Galaksije pojema 75% počasneje, kot to velja za medzvezdni prah. To je presenečenje, saj je v galaktični ravnini ujemanje med porazdelitvijo makromolekul in prahu zelo dobro.
Ta raziskava daje prvi vtis o porazdelitvi makromolekul v naši Galaksiji. Porazdelitev je povezana s procesi, v katerih te makromolekule sodelujejo. Ta prva statistična obdelava lastnosti MAP-ov je direktno povezana tudi z lastnostmi vpletenih makromolekul, na primer z njihovo maso in električnim nabojem. Ker o povzročiteljih MAP-ov ne vemo skoraj ničesar, so te informacije dragocene. Kmalu bo minilo sto let od odkritja MAP-ov, ki so še vedno nerešena uganka in zato manjša sramota astronomske spektroskopije. Ne vemo niti, kako in kje nastanejo. Raziskava objavljena v reviji Science dokazuje, da imamo orodja za obravnavo teh problemov in opazovanja, ki lahko odločijo med možnimi razlagami opaženega.