Hur uppstod Vintergatan och alla olika grundämnen och molekyler som vi består av? Ett forskningsprojekt vid Stockholms universitet ska ta oss närmare svaret på de frågorna. I ett källarlabb vid AlbaNova återskapas de processer som pågår i tomrummet mellan stjärnorna.
Projektanslag 2018
Probing charge- and mass-transfer reactions on the atomic level
Huvudsökande:
Professor Henrik Cederquist
Medsökande:
Stockholms universitet
Michael Gatchell
Åsa Larson
Henning Schmidt
Richard Thomas
Henning Zettergren
Uppsala universitet
Paul Barklem
Lärosäte:
Stockholms universitet
Beviljat anslag:
37 200 000 kronor under fem år
Vid AlbaNova i Stockholm finns en unik anläggning med ett kungligt namn: DESIREE (Double Electrostatic Ion Ring Experiment). Den är en av tre jonlagringsringar i världen som körs vid kryogeniska temperaturer. Här återskapas de processer som sker i stjärnornas atmosfärer och i det interstellära mediet, vilket är själva tomrummet mellan stjärnorna.
Anläggningen är den enda där man kan lagra två olika typer av joner samtidigt i två olika ringar och där jonerna kan kollidera i en gemensam raksträcka.
– Där kan enskilda par av joner fås att reagera med varandra, till exempel genom att en elektron flyttar sig från en negativ till en positiv jon, vilket skapar två neutrala partiklar, säger Henrik Cederquist, professor i fysik vid Stockholms universitet.
Två veckor att kyla ned
När Henrik Cederquist visar en schematisk skiss över DESIREE ser anläggningen bedrägligt enkel ut. Men när vi kliver in i det vidsträckta labbet blir mängden sladdar, rör och ledningar överväldigande. Jonlagringsringarna är omgivna av vakuumpumpar, lasrar och detektorer. Ljudet i labbet är öronbedövande.
– Här ser du hjärtat av DESIREE med de två jonlagsringsringarna inneslutna av flera dubbla vakuumkammare. Ljudet du hör kommer från kryogeneratorerna som oavbrutet pumpar bort all värme, säger Henrik Cederquist.
Det tar två̊ veckor att kyla ned anläggningen från rumstemperatur till 13 kelvin och lika lång tid att värma upp den igen. Därför öppnas instrumentet helst inte mer än en gång per år för service och uppgraderingar.
En miljon joner
Vardera ring har en omkrets på närmare nio meter där jonstrålarna styrs av statiska elektriska fält. Här kan strålarna bevaras i timtal tack vare ett extremt bra vakuum och en temperatur av cirka 13 kelvin (minus -260 grader Celsius).
– Vi har en miljon joner åt gången som snurrar i varje ring. De har olika kvanttillstånd från början men eftersom de kyls ned så koncentrerar de sig till några få av de lägst liggande tillstånden och ibland i bara det allra lägsta.
När jonerna reagerar med varandra fångas produkterna upp av detektorer som visar vilka nya kvanttillstånd de hamnat i. DESIREE gör det möjligt att genomföra kvantupplösta studier av en rad olika reaktionsprocesser.
–När vi ser hur laddningen byts mellan positivt och negativt laddade joner vid låg kollisionsenergi kan vi öka förståelsen av de spektra som astronomerna mäter för att få information om det interstellära mediet, och med stöd av kompletterande teoretiska beräkningar, även stjärnornas sammansättning, säger Henrik Cederquist.
Astronomer har sedan länge kartlagt sammansättningen av en stjärna med hjälp av färgen på stjärnljuset. Förenklat uttryckt så berättar färgerna vilka grundämnen som stjärnan består av. Ljuset som når astronomernas teleskop beror på vilka ämnen som absorberar det på vägen genom stjärnans atmosfär. Stjärnornas sammansättning kan berätta hur och var de bildats, samt ge ledtrådar till Vintergatans historia och grundämnenas uppkomst.
Fotbollsliknande fullerener
I projektet studeras inte bara kollisioner av atomära och molekylära system vid låga energier utan även mer komplexa molekylära system. Bland annat de så kallade fullerenmolekylerna.
Nyligen återfanns den viktigaste fullerenstrukturen C60 i det interstellära mediet. Upptäckten kan leda vägen till svaret på en 100-årig gåta: vad består de diffusa interstellära banden av? År 2015 publicerades bevis för att C60 ger upphov till fem av de femhundra interstellära band som observerats.
– Men ännu vet ingen hur dessa strukturer bildas och hur de förstörs, eller vilka andra molekyler som orsakar banden. Vi har en hypotes som vi vill testa där vi låter både enskilda kolmolekyler och kluster av kolmolekyler växelverka med partiklar som vi vet susar runt i rymden, till exempel heliumkärnor och protoner.
Forskargruppen har redan testat delar av experimenten men nu ger DESIREE dem bättre möjlighet att hantera alla inblandade parametrar.
– Vi har gjort liknande experiment tidigare men aldrig kunnat göra det med kluster av ett bestämt antal likadana små byggstenar. Nu kan vi det och ett drömresultat vore att vi lyckas bygga fullerener, till exempel från kluster av små kolmolekyler, säger Henrik Cederquist.
Resultaten av klusterexperimenten kan även öka kunskapen inom atmosfärsvetenskap. När solvinden kolliderar med jordens atmosfär så joniseras delar av den.
– Vi tittar på hur mikroskopiska kluster bildas av joner och molekyler och det kan visa sig ha bäring på hur moln skapas. I dag finns öppna frågeställningar när det gäller molnbildning och här hoppas vi kunna bidra med viktiga pusselbitar, säger Henrik Cederquist.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
