Špitzer vidí tepelné záření vesmíru
Již sedmý rok si na heliocentrické oběžné dráze plní své vesmírné poslání sonda Spitzer. Odkloněna od záře Slunce zachytává fotony na svém 85centimetrovém zrcadle z berylia, chlazeném na teplotu 5,5 K, aby si sama nerušila příjem infračerveného záření vesmíru. Spektrální pásmo s vlnovými délkami světla od 3 do 180 mikrometrů tvoří okno, v kterém Spitzer vidí kosmické dálky tak, jako bychom to ze Země kvůli atmosféře nikdy neviděli. I z tohoto hlediska jde o unikátní přístroj.
Buckyballs na Zemi i tisíce světelných let daleko
Kombinace pozorovacích možností sondy Spitzer s lidskou zvídavostí a schopností poznávat a chápat svět za hranicemi fyzické dostupnosti vede k zajímavým objevům. O jednom v nejnovějším vydání internetového časopisu Science Express informuje americko-kanadsko-francouzská čtveřice astronomů, které se podařilo odhalit a poprvé jednoznačně prokázat existenci známých sférických fullerenů ve vzdáleném pracho-plynném oblaku. Tyto velké molekuly, poskládané výlučně z atomů uhlíku, se podepsaly do infračerveného spektra spektrografu sondy Spitzer, když v březnu 2005 hleděla do jižního souhvězdí Oltář na mladou planetární mlhovinu Tc-1, vzdálenou 6 500 světelných let.
Samozřejmě, že identifikace molekul různých látek na vzdálenost, která se udává v jednotkách používaných výhradně v astronomii, je možná jenom spektroskopicky – pomocí emisních nebo absorpčních spektrálních čar záření, které příslušné atomy a molekuly emitují, respektive pohlcují. Metoda patří do rutinní astronomické praxe, a tak nám už ani nepřijde, že poskytuje uklidňující poznání, jež potvrzuje naši představu – i ten nepředstavitelně vzdálený vesmír je nám blízký, protože to málo, co v něm dokážeme vidět na vlnách elektromagnetického záření, je z nám známé hmoty.
Dlouho jsme netušili, že jsou okolo nás...
I když jsou buckyballs velké molekuly, měří necelý nanometr. Připomínají černo-bílé fotbalové míče, protože mají stejný vzor – jsou poskládané z pravidelných pěti a šestiúhelníků definovaných atomy uhlíku v jejich vrcholech. Těch atomů je přesně 60 a dokonale kulatá molekula se označuje C60. Kromě ní se v přírodě vyskytují i větší sférické fullereny se 70, 76, nebo 84 atomy, jež tvarem připomínají rugbyové míče. Vznikají například v plamenu při hoření na uhlík bohatých látek. Dají se v stopových množstvích detekovat v sazích.
V laboratorních podmínkách ale byly ze základních uhlíkových 5- a 6-úhelníků sestavené různé fullereny. Popis jejich rozmanitosti, vlastností a využití by zaplnil mnoho sto stránek. Po objevu buckyballs vědci rychle pochopili obrovské možnosti, které tato uhlíková struktura nabízí, výzkumný boom zaznamenal období, kdy se v téhle oblasti přihlašoval průměrně jeden odborný článek denně.
Za zmínku stojí i stručná historie. Již před 40 lety existenci sférických fullerenů předpověděl Japonec Eiji Osawa. V tom samém roce přesnou strukturu molekuly C60 navrhl Brit Richard W. Henson, ale článek mu odmítli uveřejnit. Nedůvěra k velké kulovité molekule si vyžádala celá léta, než se v roce 1985 podařilo Britu Haroldovi Krotovi z University of Sussex a jeho čtyřem americkým kolegům z Rice University molekuly C60 laboratorně vyrobit a výsledky publikovat v prestižním časopisu Nature. Tři z nich (Curl, Kroto a Smalley) pak byli v r. 1996 oceněni Nobelovou cenou. A co bylo prvním impulzem pro tento převratný objev? Snaha chemika Harolda Krota pochopit, co za neznámé řetězce uhlíkových atomů odhalují radioteleskopy ve vesmírných dálkách…
Až pak vědci zjistili, že lidé spalováním fosilních látek, olejů, vosku… produkují buckyballs po dlouhá tisíciletí. Ale objevili je i v člověkem nedotčené přírodě, v horninách i v meteoritech. Již léta po nich pátrají i v mezihvězdných prostorách, ale dosud získané výsledky nebyly jednoznačně průkazné.
...a teď je vidíme zdaleka
Jak může Spitzerův dalekohled na vzdálenost tisíců světelných let „vidět“ asi miliontinu milimetru velké uhlíkové kuličky a jak je v měřeních vědci odhalí? Mají štěstí v tom, že molekuly C60 a C70 připomínají míče nejenom tvarem. Jsou také pružné a záření způsobuje jejich vibrace, které mají až 174 módů. Čtyři z nich probíhají práve v rozsahu infračerveného světla, které dokáže Spitzer zachytit. Znamená to, že záření, které C60 a C70 pohltí nebo při svých vibracích emituje, spadá do této spektrální oblasti. Správnost určení emisních a spektrálních čar astronomové ověřovali i v pozemských podmínkách, pomocí experimentů. Graf vpravo zobrazuje výsledné spektrum, ve kterém jsou nepřehlédnutelné píky, charakteristické pro čtyři módy vibrací molekul C60 (označené červenou šipkou) a pak několik píků přináležících čtyřem typům pulzací "nanomíčů" C70.
Abychom v laboratořích vytvořili molekuly C60 a C70, potřebujeme vytvořit vhodné podmínky. Jak ale vznikly v planetární mlhovině? „Smrtí“ hvězdy podobné Slunci. Když ji dojde palivo pro termonukleární reakce, fyzikálními zákony přisouzené její hmotnostní kategorii, zkolabuje do podoby pomalu chladnoucího bílého trpaslíka. Předtím se ale v agonické derniéře zvětší a odhodí vnější vrstvy materiálu, který se pak rozpíná dál jako obrovský plynno-prachový oblak – planetární mlhovina. A právě v ní je na uhlík bohatá oblast, kde několik procent tohoto prvku se nachází ve formě velkých sférických molekul. Vědci měli svým způsobem štěstí, protože jak se oblak rozpíná, chladne. O sto let později bude oblast s fullereny pro Spitzera již příliš studená, její tepelné záření by nezaregistroval. Teď má přibližně pokojovou teplotu. A ještě jedna sudička se na astronomy usmála – spektrum mlhoviny Tc 1 nenese stopy přítomnosti většího množství vodíku. Právě ten by totiž zabránil tvorbě fullerenů a atomy uhlíku by si přivlastnil sám.
„Nepředvídali jsme tento objev“ tvrdí Jan Cami, astronom z kanadské University of Western Ontario. „Ale když jsme viděli ty zřetelné spektrální znaky, hned jsme věděli, že hledíme na podpisy jedněch z nejhledanějších molekul ve vesmíru.“
Chvilka angličtiny s Janem Camim z University of Western Ontario, který vysvětluje, co jsou to buckyballs a jak i na astronomicky velkou vzdálenost prozrazují svojí existenci:
Zdroje: NASA/Spitzer, Science
Diskuze:
