I det tunna gasstoftet mellan stjärnorna i universum kan det vara 270 minusgrader. Ändå kan nya molekyler skapas – men hur kommer det sig? Henning Schmidts forskargrupp försöker förstå grunden till att nya stjärnor bildas.
Projektanslag 2024
"Making and breaking of molecular bonds"
Huvudsökande:
Henning Schmidt, professor i atomfysik
Medsökande:
Stockholms universitet
Henrik Cederquist
Åsa Larson
Henning Zettergren
Göteborgs universitet
Dag Hanstorp
Lärosäte:
Stockholms universitet
Beviljat anslag:
35 000 000 kronor under fem år
Väldiga gasmoln svävar mellan stjärnorna i universum. Stoftet kallas det interstellära mediet och utgör en utspädd gasblandning av joner, atomer och molekyler, samt dammkorn, kosmisk strålning och magnetfält.
Atomerna som rör sig där består mestadels av väte – men här finns bland annat också lite helium- och kolatomer. Temperaturen kan vara så låg som minus 270 grader.
Den extremt låga temperaturen dämpar kemiska reaktioner, men de atomer som finns där kan ändå röra sig långsamt, förklarar Henning Schmidt, professor i atomfysik vid Stockholms universitet, som leder en forskargrupp som studerar hur ny materia uppstår i rymden.
– Den stränga kylan till trots kan nya atomer och molekyler bildas i molnen, något som kan leda till att en ny stjärna föds.
Liknande ”stjärnfödslar” sker ofta i mörka förtätningar i gasmolnen.
Kosmisk strålning avgörande
Schmidt och hans forskargrupp söker svar på gåtan hur materia kan bildas i interstellära moln. I projektet, som finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, fokuserar de på vissa centrala fenomen.
Atomer och molekyler som svävar i gasstoftet belyses ibland av energirik, kosmisk strålning som solen, stjärnexplosioner och andra levande stjärnor sänder ut.
– Själva gasmolnet är kallt, och molekylerna rör sig långsamt i förhållande till varandra. Men det kanske sitter en stjärna i närheten och skickar ut ultraviolett ljus som i sin tur skapar vandrande joner.
Den kosmiska strålningen påverkar atomerna och molekylerna så att det bildas positivt laddade joner, samtidigt som elektroner frigörs. Elektroner kan därefter binda in till atomer eller molekyler och bilda negativa joner.
Efterliknar rymdmiljön
Forskarnas hypotes är att jonerna bidrar till att kemiska processer uppstår som skapar byggstenar till nya stjärnor. Deras experiment går därför ut på att efterlikna tillfällen i rymden då en positiv jon och en negativ jon möts och en reaktion uppkommer, som både kan bryta molekylära bindningar och bilda nya.
– Vår grundtes är att kollisioner mellan joner har stor betydelse för tillväxten av molekyler och nya stjärnor i rymden, säger Henning Schmidt – som även föreståndare för den nationella infrastrukturanläggningen för atomfysik DESIREE – Double ElectroStatic Ion Ring ExpEriment – som ligger i Stockholms universitets fysikinstitution vid Alba Nova, där gruppen genomför sina världsunika försök.
Mitt i denna anläggning står en stor, rektangulär låda som inrymmer två lagringsringar. I den ena snurrar några hundratusen eller någon miljon positiva joner – och i den andra ringen ungefär lika många negativa joner, vilka ingår i forskarnas experiment.
Jon-strömmarna möts där ringarna överlappar varandra i en gemensam mittsektion som hålls nedkyld till 260 minusgrader. I denna gemensamma fåra följs negativa och positiva joner åt i en ström samtidigt som de rör sig långsamt i förhållande till varandra.
– Ibland råkar en positiv och en negativ jon komma så pass nära varandra att en elektron kan hoppa från den negativa till den positiva jonen. Det som då sker är en laddningsöverföringsprocess, där energi frigörs och nya molekyler kan bildas, säger Henning Schmidt.
Genom att forskarna använder sig av joner i stället för neutrala partiklar i experimenten, uppstår en möjlighet att passera en viss reaktionsbarriär. De molekylära bindningarna kan då brytas och nya bindningar bildas.
Denna laddningsöverföringsprocess är central i projektet. Forskarna ska nu kombinera teori, modellering och, inte minst experimentella försök i syfte att ta fram detaljerade beskrivningar av hur reaktionerna går till.
Partiklarna som kolliderar neutraliserar samtidigt varandra och tappar sin elektriska laddning. De kan därför inte längre vara kvar och cirkulera i sin ring i DESIREE. Som neutrala partiklar färdas de i stället rakt fram genom mittsektionen och fångas upp av en detektor.
När partiklarna träffar sensorn sänder den ut små ljussignaler som forskarna studerar.
När dessa videofilmas liknar ljussignalerna blinkande gröna prickar som rusar fram. Detektorn mäter tiden mellan prickarna och deras positioner, och på så vis kan forskarna räkna ut deras rörelseenergi och kvanttillstånd.
Skapar en ny sensor
För att i detalj kunna följa vad som sker ska forskarna nu utveckla en ny och extremt känslig sensor som kallas mikrokalorimeter. Med den blir det möjligt att mer noggrant mäta partiklarnas rörelseenergi. Utvecklingen sker i samarbete med en doktorand vid Ruprecht Karls universitetet i tyska Heidelberg och väntas inte vara klar förrän 2028.
Men när den väl är på plats i DESIREE kan forskarna få splitterny kunskap om partiklarnas atommassa – och därigenom avslöja vilken typ av nya molekyler, eller ämnen, som bildats.
Mikrokalorimetern måste dock kylas till 273 minusgrader, eller nära den absoluta nollpunkten, 0,02 Kelvin, konstaterar Henning Schmidt.
– Att kyla någonting till en sådan låg temperatur blir en svår utmaning!
Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström
