로제트 성운의 별 형성을 배경으로 한 허셜 우주 관측소에 대한 작가의 인상.
(이미지 : © C. Carreau / ESA)
Kavli Foundation의 작가이자 편집인 인 Adam Hadhazy는이 기사를 Space.com의 Expert Voices : Op-Ed & Insights에 기고했습니다.
2018 Kavli Prize 수상자는 평온한 캠핑 여행부터 예산이 큰 관측소에 대한 국제적 합의 도출에 이르기까지 천문학 분야로의 개인적이고 전문적인 여행에 대해 이야기합니다.
모든 공간이 불규칙한 장소는 아닙니다. 은하에는 단순한 수소 가스에서부터 생명의 발달에 중요한 복합 유기 물질에 이르기까지 풍부한 분자 덩어리가 들어있는 먼지가 많은 구름이 가득합니다. 별과 행성을 형성 할 때이 모든 우주 성분이 어떻게 혼합되는지 파악하는 것은 Ewine van Dishoeck의 삶의 일이었습니다.
훈련을받은 화학자 인 반 Dishoeck은 곧 우주로 눈을 돌렸다. 그녀는 최신 천체 망원경을 사용하여 거대한 별을 가진 구름의 내용을 밝혀 내고 묘사하는 천문학 분야에서 많은 진보를 개척했습니다. 동시에 van Dishoeck은 실험실 실험과 양자 계산을 추구했습니다. 테라 상사 별빛에 의한 우주 분자의 분해와 새로운 분자가 레고 벽돌처럼 쌓이는 조건을 이해합니다. [8 배플 링 천문학 미스터리]
Van Dishoeck은 천체 구름의 수명주기와 별과 행성의 형성을 설명하는 관측, 이론 및 실험실 천문학에 대한 기여를 결합하여 2018 천체 물리학에서 Kavli 상을 수상했습니다. 그녀는 역사상 유일한 상을 수상한 사람 중 두 번째 수상자입니다.
Kavli 재단은 천문 화학 분야에서 획기적인 경력과 다음 단계에 대해 자세히 알아보기 위해 네덜란드 바덴에있는 레이덴 대학의 레이덴 천문대 사무실에서 반 디 소크와 대화했습니다. Van Dishoeck은 분자 천체 물리학과 교수이며 국제 천문 연맹 (IAU)의 차기 회장입니다.
다음은 원탁 토론의 편집 내용입니다. Van Dishoeck은 그녀의 의견을 수정하거나 편집 할 수있는 기회를 제공했습니다.
카 브리 재단 : 천체 화학은 우리 자신과 우리가 살고있는 우주에 대해 무엇을 알려줍니까?
EWINE VAN DISHOECK : 천문 화학에서 말하는 전반적인 이야기는, 우리의 기원은 무엇입니까? 우리는 어디에서 왔으며 어떻게 지었습니까? 우리 행성과 태양은 어떻게 형성 되었습니까? 결국 우리는 태양, 지구 및 우리를위한 기본 빌딩 블록을 발견하려고합니다. 레고와 비슷합니다. 우리는 태양계를 위해 레고 빌딩에 어떤 조각이 있는지 알고 싶습니다.
가장 기본적인 빌딩 블록은 물론 화학적 요소이지만 공간에서 더 큰 빌딩 블록 (분자)을 생성하기 위해 이러한 요소를 결합하는 방법은 다른 모든 방식을 이해하는 데 중요합니다.
TKF : 당신과 다른 연구자들은 이제 우주에서이 분자 빌딩 블록 중 200 개 이상을 식별했습니다. 커리어가 진행되는 동안이 분야는 어떻게 발전 했습니까?
EVD : 1970 년대에, 우리는 이온이나 라디칼과 같은 매우 특이한 분자가 상대적으로 공간이 풍부하다는 것을 발견하기 시작했습니다. 이 분자들은 빠졌거나 짝이없는 전자를 가지고 있습니다. 지구상에서 그들은 만나는 다른 물질과 빠르게 반응하기 때문에 오래 지속되지 않습니다. 그러나 공간이 매우 비었기 때문에 이온과 라디칼은 수만 년 동안 살면서 무엇이든 충돌 할 수 있습니다.
지금, 우리는 지금이 순간에 새로운 별과 행성이 형성되는 지역의 심장부에 존재하는 분자를 식별하는 방향으로 나아가고 있습니다. 우리는 분리 된 이온과 라디칼을 더 포화 된 분자에 발견하게되었습니다. 여기에는 메탄올과 같은 가장 간단한 형태의 유기 [탄소 함유] 분자가 포함됩니다. 기본 메탄올 빌딩 블록에서 설탕 인 글리콜 알데히드와 에틸렌 글리콜 같은 분자를 만들 수 있습니다. 이 둘은 "생체 생물"분자로, 결국 생명 분자 형성에 필요합니다.
천문학 분야가 다음으로 이동하는 곳은 분자 목록을 작성하지 않고 이러한 다른 분자가 어떻게 형성되는지 이해하려고 노력하는 것입니다. 우리는 또한 왜 다른 종류의 분자에 비해 특정 우주 영역에서 더 많은 양의 특정 분자를 찾을 수 있는지 이해하려고 노력하고 있습니다.
TKF : 당신이 방금 말한 것은 유추를 생각하게합니다. Astrochemistry는 이제 우주에서 새로운 분자를 찾는 것이 아니라 정글에서 새로운 동물을 찾는 동물 학자와 비슷합니다. 이 분야는 이제 그 분자 동물들이 어떻게 상호 작용하는지에 대한 "생태학"에 관한 것입니다. 그리고 왜 우주에는 특정한 종류가 많은가, 왜저기서 적은지 등이 있습니다.
EVD : 그것은 좋은 비유입니다! 우리가 별과 행성이 어떻게 형성되는지의 물리학과 화학을 이해함에 따라 중요한 부분은 왜 일부 분자가 특정 성간 지역에 풍부하지만 다른 지역에서 동물처럼 "멸종 된"지 알아내는 것입니다.
우리가 당신의 은유를 계속한다면, 실제로 동물 생태학에 비유 할 수있는 분자들 사이에 많은 흥미로운 상호 작용이 있습니다. 예를 들어, 온도는 우주에서 분자의 거동과 상호 작용의 제어 요소이며, 동물의 활동과 그들이 사는 장소 등에 영향을 미칩니다.
TKF : 빌딩 블록 아이디어로 돌아와서, 천문학에서의 빌딩 프로세스는 정확히 어떻게 작동합니까?
EVD: 우주에서 분자를 만드는 데 중요한 개념은 지구상의 일상 생활에서 우리가 알고있는 상 전이입니다. 이때 고체가 액체로 녹거나 액체가 기체로 증발하는 등의 경우가 있습니다.
우주에서 모든 분자는 기체 상과 고체상 사이의 구분 인 "스노우 라인"을 가지고 있습니다. 예를 들어, 물에는 스노우 라인이 있는데, 여기에는 물 가스에서 물 얼음으로 이동합니다. 압력이 너무 적기 때문에 액체 형태의 원소와 분자는 공간에 존재할 수 없다는 점을 지적해야합니다. 지구의 대기압으로 인해 지구상에서 물은 액체가 될 수 있습니다.
스노우 라인으로 돌아가서, 우리는 그것들이 행성 형성에 매우 중요한 역할을하고 많은 화학 작용을 제어한다는 것을 발견하고 있습니다. 우리가 발견 한 가장 중요한 레고 빌딩 블록 중 하나는 일산화탄소입니다. 우리는 예를 들어 연소시 생성되기 때문에 지구의 일산화탄소에 익숙합니다. 동료들과 저는 라이덴의 실험실에서 일산화탄소가 우주에서 더 복잡한 유기물을 만들기위한 출발점임을 시연했습니다. 가스에서 고상으로 동결되는 일산화탄소는 레고 빌딩 블록 수소를 추가하기위한 중요한 첫 단계입니다. 그렇게하면 포름 알데히드와 같은 더 큰 분자를 계속 만들 수 있습니다 [CH2O], 그 다음 메탄올, 우리가 논의한대로 글리콜 알데히드에, 또는 당신은 심지어 글리세롤과 같은 더 복잡한 분자로 갈 수 있습니다 [C3H8영형3].
그것은 단지 하나의 예일뿐입니다. 그러나 그것은 천문학에서 구축 과정이 어떻게 진행되는지에 대한 감각을줍니다.
TKF : 당신은 라이덴 천문대에서 실험실을 언급했습니다. 천체 물리학을위한 Sackler Lab내가 이해 한 것은 최초의 천체 물리학 실험실과 구별되는 것입니다. 그것이 어떻게 이루어졌으며 거기서 성취 한 것은 무엇입니까?
EVD : 맞습니다. 선구적인 우주 비행사 인 Mayo Greenberg는 1970 년대에 실험실을 시작했으며 실제로 세계에서 천체 물리학에 대한 최초의 실험실이었습니다. 그는 은퇴 한 후 실험실을 계속 유지했습니다. 나는 결국 1990 년대 초이 연구소의 책임자가되었으며 동료가 리더십을 맡을 때까지 2004 년까지 계속 유지되었습니다. 나는 아직도 거기에서 협력하고 실험을한다.
실험실에서 성공적으로 달성 한 것은 우주의 극한 조건입니다. 추위와 복사입니다. 우주의 온도를 화씨 10도에서 442도까지 재현 할 수 있습니다. 섭씨 영하 260도]로, 절대 영점보다 약간 높습니다. 우리는 또한 새로운 별 형성 영역에서 분자가받는 별빛의 강한 자외선을 재현 할 수 있습니다. [스타 퀴즈 : 스텔라 스마트 테스트]
그러나 우리가 실패한 곳은 공간의 공허함, 진공을 재현하는 것입니다. 우리는 실험실에서 초고 진공을 10 정도 정도로 생각합니다.8 ~ 1010 입방 센티미터 당 입자 [억 백만 내지 천억]. 천문학 자들이 별과 행성이 형성되는 짙은 구름이라고 부르는 것은 약 104또는 입방 센티미터 당 약 10,000 개의 입자. 즉, 우주에서 짙은 구름이 실험실에서 할 수있는 것보다 여전히 백만 배 더 비쌉니다.
그러나 이것은 궁극적으로 우리에게 유리합니다. 우주의 극도의 진공 상태에서, 우리가 이해하고자하는 화학은 매우 느리게 움직입니다. 실험실에서는 분자가 서로 충돌하고 상호 작용할 때까지 10,000 년 또는 100,000 년 동안 기다릴 수없는 실험실에서는 그렇게하지 않습니다. 대신에, 우리는 인간 과학 경력의 시간 규모에 대해 배우기 위해 하루에 반응을 할 수 있어야합니다. 그래서 우리는 모든 것을 가속화하고 실험실에서 우리가 보는 것을 우주에서 훨씬 더 긴 시간 규모로 변환 할 수 있습니다.
TKF : 실험실 작업 외에도 경력에 걸쳐 망원경을 사용하여 우주의 분자를 연구했습니다. 연구에 필수적인 도구는 무엇입니까?
EVD : 경력 전체에 새로운 도구가 중요했습니다. 천문학은 실제로 관측에 의해 움직입니다. 새로운 파장의 빛에서 더욱 강력한 망원경을 사용하는 것은 다른 눈으로 우주를 보는 것과 같습니다.
1980 년대 후반, 유럽 우주기구 (ESA)가 이끄는 임무 인 ISO (Infrared Space Observatory)에 크게 관여 한 네덜란드로 돌아 왔습니다. 다른 사람이 망원경을 현실로 만들기 위해 20 년 동안 열심히 일한 것을 매우 기쁘게 생각하며 행복하게 사용할 수있었습니다! ISO는 화학 스펙트럼과 같이 별과 행성 형성 및 물의 경우에 중요한 역할을하는 물을 포함한 얼음의 모든 스펙트럼 서명을 볼 수있는 적외선 스펙트럼을 개방했기 때문에 매우 중요했습니다. 좋은 시간이었습니다.
그 다음으로 중요한 임무는 Herschel Space Observatory였습니다. 저는 개인적으로 1982 년에 대학원생으로 참여했습니다. 화학 측면에서 Herschel은 성간 분자의 주요 임무였으며 특히 " 물 흔적. " 그러나 먼저, 우리는 ESA에 대한 과학적 사례를 만들어야했습니다. 나는 몇 년 동안 미국에 갔고 비슷한 토론을했는데 허셀의 과학적 사례를 미국의 재정 지원 기관에 만드는 데 도움을 주었다. 이 임무는 1990 년대 후반에 최종 승인 될 때까지 큰 진전이었습니다. 그런 다음 여전히 10 년 동안 구축하고 출시했지만 2009 년 말에 첫 번째 데이터를 얻었습니다. 1982 년부터 2009 년까지 – 그것은 장기적이었습니다! [사진 : 허셜 우주 관측소의 놀라운 적외선 이미지]
TKF : 우주와 화학에 대한 당신의 사랑은 언제 어디에서 뿌리 내렸습니까?
EVD : 나의 주된 사랑은 항상 분자에 대한 것이었다. 그것은 매우 훌륭한 화학 교사와 함께 고등학교에서 시작되었습니다. 많은 사람들이 정말 훌륭한 선생님들에게 달려 있으며, 사람들이 항상 그것이 얼마나 중요한지를 깨닫지 못한다고 생각합니다. 물리학이 화학만큼 재미 있다는 것을 대학에 진학했을 때만 깨달았습니다.
TKF : 궁극적으로 천문학자가되기 위해 어떤 학문적 경로를 취했습니까?
EVD : 라이덴 대학교에서 화학 석사 학위를 받았으며 이론적 양자 화학을 계속하고 싶다고 확신했습니다. 그러나 라이덴에서 그 분야의 교수는 죽었다. 그래서 다른 옵션을 찾기 시작했습니다. 나는 그때 천문학에 대해 많이 몰랐습니다. 성간 매체에 관한 강의를 방금 들었던 것은 당시의 남자 친구이자 현재 남편 인 Tim이었습니다. Tim은 저에게 "우주에는 분자도 있습니다!"라고 말했습니다. [웃음]
우주의 분자에 관한 논문을 만들 가능성을 조사하기 시작했습니다. 나는 한 교수에서 다른 교수로 갔다. 암스테르담의 한 동료는 실제로 천문학 분야에 들어가기 위해 하버드에 가서 알렉산더 달가 르노 교수와 함께 일해야한다고 말했습니다. 1979 년 여름, 팀과 저는 캐나다에서 몬트리올 국제 천문 연맹 총회에 참석하기 위해 여행했습니다. 우리는 총회 전에 위성 회의가 열리고 있음을 알았으며, 그들 중 한 명은 팀과 내가 캠핑을하고있는이 특정 공원에서 실제로 일어나고있었습니다. 우리가 가진 아이디어는 "글쎄, 우리는이 기회를 잡아서 이미 달 가노 교수를 만나러 가야 할 것입니다!"였습니다.
물론, 우리는이 야영 장비와 의복을 모두 가지고 있었지만, 내가 입었던 나와 함께 깨끗한 치마가있었습니다. 팀이 나를 위성 회의로 데려 갔고, 우리는 암스테르담에서 온 동료를 찾았습니다. "좋아요. 달가 르노 교수에게 소개하겠습니다." 교수님이 저를 데리고 나가서 5 분 동안 이야기를 나,으며, 내가 한 일, 천문학 기술력이 무엇인지 물었고, "흥미 롭습니다. 왜 와서 나를 위해 일하지 않습니까?" 그것은 분명히 중요한 순간이었습니다.
그것이 모든 것이 시작된 방법입니다. 한 번도 후회 한 적이 없습니다.
TKF : 어린 시절 초기에 과학자가되기위한 길을 열어 놓은 또 다른 중요한 순간이 있었습니까?
EVD: 사실 맞아요. 나는 약 13 살이었고 아버지는 캘리포니아 샌디에고에서 안식일을 마련했습니다. 나는 네덜란드에서 고등학교를 그만 두었다. 거기서 우리는 대부분 라틴과 그리스에서 수업을 받았으며 물론 수학도 배웠다. 그러나 우리는 화학이나 물리학면에서 아직 아무것도 없었으며 생물학은 적어도 1-2 년 후에 시작되지 않았습니다.
샌디에이고의 중학교에서 저는 매우 다른 주제를 공부하기로 결정했습니다. 예를 들어 스페인어를 들었습니다. 과학을 할 가능성도있었습니다. 저는 1968 년 당시 아프리카 계 미국인 여성 인 아주 훌륭한 선생님이있었습니다. 그녀는 매우 감동적이었습니다. 그녀는 실험을하고, 질문을했고, 실제로 나를 과학에 이끌었습니다.
TKF : 이제 몇 년 전에 문을 연 Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA)의 약속을 기대하며 지금까지 구현 된 가장 야심적이고 값 비싼 지상 기반 천문학 프로젝트 중 하나입니다. 천체 물리학자인 라인 하르트 겐젤은이 천문대 뒤에서 국제적 합의를 이끌어내는 데 도움을주었습니다. ALMA를 어떻게 대 변했습니까?
EVD: ALMA는 우주에서 분자를 관찰하기위한 중요한 창인이 특별한 범위의 밀리미터 및 서브 밀리미터 조명에서 최고의 관측소로서 놀라운 성공을 거두었습니다. 오늘날 ALMA는 칠레의 고지대 평원을 가로 지르는 7 미터 및 12 미터 구성의 66 개 무선 망원경으로 구성되어 있습니다. 우리가 지금있는 곳으로가는 길은 매우 길었습니다!
ALMA는 수천 명의 사람들의 꿈의 결과입니다. ALMA에 대한 미국 과학 자문위원회의 유럽 측 멤버 중 한 명이었습니다. 저는 6 년 동안 미국에서 일하면서 북미 과학계를 잘 알고있었습니다. 일본뿐만 아니라 양측은 ALMA에 대한 개념이 매우 다릅니다. 유럽인들은 깊고 아주 초기 우주 화학에 사용될 수있는 망원경에 대해 생각하고 있었고, 북미 인들은 대규모의 고해상도 이미징에 대해 훨씬 더 많이 생각하고있었습니다. 한 그룹은 8 미터 망원경을, 다른 하나는 15 미터 망원경을 만드는 것에 대해 이야기했습니다. [알마 만나기 : 자이언트 전파 망원경의 놀라운 사진]
그래서 저는이 두 가지 주장을 하나로 모으는 데 도움을 준 사람들 중 한 사람이었습니다. "더 큰 배열을 만들면 실제로 우리 모두가 이깁니다." 이 계획은 강력하지 않은 별도의 배열이 아닌 하나의 배열로 더 많은 망원경을 하나로 모으는 계획이되었습니다. 그리고 그 일이 일어났습니다. 우리는 경쟁자가 아닌이 환상적인 프로젝트에 협력하는 분위기를 조성했습니다.
TKF : ALMA가 천문 화학에서 어떤 새로운 개척을 시작합니까?
EVD : 우리가 ALMA와 함께하는 큰 도약은 공간 해상도입니다. 위에서 도시를보고 있다고 상상해보십시오. 첫 번째 Google 어스 이미지는 매우 열악했습니다. 거의 볼 수 없었습니다. 도시는 큰 얼룩이었습니다. 그 이후로 위성 탑재 카메라로 공간 해상도가 향상됨에 따라 이미지가 더욱 선명하고 선명 해졌습니다. 요즘에는 [네덜란드 도시의] 운하, 거리, 심지어 개별 주택을 볼 수 있습니다. 도시 전체가 어떻게 구성되어 있는지 실제로 볼 수 있습니다.
어린 별 주위의 작은 원반 인 행성의 발상지에서도 같은 일이 일어나고 있습니다. 이 디스크는 우리가 이전에 별이 태어난 곳에서 본 구름보다 수백에서 수천 배 작습니다. ALMA를 통해 우리는 새로운 별과 행성이 형성되는 지역을 확대하고 있습니다. 그것들은 실제로 프로세스가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 적절한 척도입니다. ALMA는 독창적으로 이러한 공정과 관련된 광범위한 분자를 감지하고 연구 할 수있는 분광 기능을 갖추고 있습니다. ALMA는 우리가 이전에 경험했던 모든 것에서 환상적인 발전입니다.
TKF : 당신의 경력 기간 동안 사용하게 된 새로운 망원경은 놀라운 것으로 입증되었습니다. 동시에, 우리는 여전히 우주에서 볼 수있는 것에 제한이 있습니다. 차세대 망원경을 미리 생각할 때 가장 바라는 것은 무엇입니까?
EVD : 우리 연구의 다음 단계는 2021 년에 시작될 제임스 웹 우주 망원경 (JWST)입니다. JWST와 함께, 저는 아주 작은 규모로, 지구의 다른 부분에서 유기 분자와 물을 볼 수 있기를 정말로 기대하고 있습니다. ALMA에서 가능한 것보다 영역을 형성.
그러나 ALMA는 앞으로 30 ~ 50 년 동안 우리의 연구에 필수적 일 것입니다. ALMA를 통해 발견해야 할 것이 여전히 많습니다. 그러나 ALMA는 지구와 지구가 형성되는 규모, 태양과 가까운 거리에서 행성 형성 디스크의 내부를 연구하는 데 도움을 줄 수 없습니다. 디스크의 가스는 그곳에서 훨씬 더 따뜻하며, 방출되는 적외선은 동료와 내가 JWST를 구현하는 데 도움을 준 도구로 포착 할 수 있습니다.
JWST는 내가 작업 한 마지막 임무입니다. 다시 한 번 우연히 참여했지만 미국 파트너 및 동료들과 도움을받을 수있는 좋은 위치에있었습니다. 유럽과 미국의 많은 사람들이 함께 모여 "이 악기를 만들고 싶고 50/50 파트너쉽으로 할 수 있습니다."라고 말했습니다.
TKF : 별과 행성을 구성하는 빌딩 블록에 대한 연구를한다면 우주는 삶에 도움이되거나 도움이되는 것처럼 보입니까?
EVD: 나는 항상 빌딩 블록을 제공한다고 말하고 나머지 이야기를하는 것은 생물학과 화학에 달려 있습니다! [웃음] 궁극적으로 우리가 말하는 삶의 종류가 중요합니다. 우리가 지구상에서 빠르게 일어났던 가장 원시적이고 단세포 인 삶에 대해 이야기하고 있습니까? 우리가 이용할 수있는 모든 성분을 감안할 때, 우리가 지금 알고있는 수십억 개의 외계 행성에서 수십억 개의 다른 별을 공전하고있는 이유는 없습니다.
다세포 및 궁극적으로 지능적인 삶의 다음 단계로 넘어 가면서 우리는 그것이 단순한 삶에서 나오는 방법을 거의 이해하지 못합니다. 그러나 복잡성 수준을 고려하면 안전하다고 생각하지만 미생물처럼 자주 발생할 가능성은 적습니다. [외계 생명체를 호스팅 할 수있는 10 개의 외계 행성]
TKF : 천문학 분야는 우리가 있는지에 대한 질문에 어떻게 대답 할 수 있습니까? 우주에서 외계 생명체?
EVD : 외계 행성의 화학을 연구하는 것이이 질문에 답하는 데 도움이 될 것입니다. 우리는 지구와 비슷한 외계 행성을 많이 찾을 것입니다. 다음 단계는 행성 대기에서 앞서 언급 한 스펙트럼 지문을 찾는 것입니다. 이러한 지문에서 우리는 구체적으로 "생체 분자"또는 어떤 형태의 생명체의 존재를 나타낼 수있는 분자의 조합을 찾고있을 것입니다. 그것은 물뿐만 아니라 산소, 오존, 메탄 등을 의미합니다.
우리의 현재 망원경은 외계 행성의 대기에서 지문을 거의 감지 할 수 없습니다. 그렇기 때문에 우리는 오늘날의 약 3 배에 달하는 거울을 가진 매우 큰 망원경과 같은 차세대 거대한 지상 망원경을 만들고 있습니다. 나는 그와 다른 새로운 도구에 대한 과학적 사례를 만드는 데 관여하고 있으며 생체 서명은 실제로 최고의 목표 중 하나입니다. 그것이 천문학이가는 흥미로운 방향입니다.
