Opdagelse af vand i rummet, og hvorfor det betyder noget

Miguel Pereira Santaella, forskningsassistent ved Oxford University Department of Physics, diskuterer hans nyudgivne værk, hvor han observerer aldrig før sete vandovergange i rummet. Han nedbryder, hvordan opdagelsen vil hjælpe forskere med at besvare store planetariske spørgsmål og opbygge en mere præcis forståelse af universet.

Fra skyer til floder, og gletsjere til oceaner, vand er overalt på jorden. Hvad er mindre kendt, selvom, er, hvor rigeligt molekylet er i rummet.

I modsætning til på jorden, det meste af vandet i rummet tager enten form af damp eller danner iskapper, der sidder fast på interstellare støvkorn. Dette skyldes, at det interstellare rums ekstremt lave tæthed - som er billioner af gange lavere end luft, forhindrer dannelsen af ​​flydende vand. fødslen af ​​stjerneformationer kan fortælle os om, hvordan universet opfører sig. Men, da den eneste måde at studere dem på i sådanne skjulte omgivelser er gennem det infrarøde lys, detektering af vandovergange, der er i stand til at detektere dette lys, er af vital betydning.

Vandmolekyler oplever svingende kvanteenerginiveauer. Denne aktivitet giver os mulighed for at observere dem og er kendt som en vandovergang. Udtrykket refererer til det bedste punkt for videnskabelig observation, som er den nøjagtige bølgelængde, ved hvilken vandmolekyler går fra en kvantetilstand til en anden, udsender lys og øger deres synlighed, mens de gør det.

Størstedelen af ​​disse overgange er ikke særlig energiske, så de optræder i fjerninfrarøde og submillimeterområder af det elektromagnetiske spektrum, med små bølgelængder (spænder fra 50 μm og 1000 μm (1 mm)). Det er meget vanskeligt at observere disse vandovergange fra jorden, fordi den tykke damp i Jordens atmosfære næsten fuldstændig blokerer for emissionen.

Forbedringer i teknologi og udvikling af superteleskoper tilbyder en stigende gateway til universet, og planetariske indsigter bevæger sig i hastigt tempo. Vi kan nu registrere vandovergange på måder, som vi bare ikke kunne før. De ses bedst fra teleskopiske observatorier beliggende i stor højde, på ekstremt tørre steder. Såsom, Atacama Large Millimeter Array (ALMA), som ligger i Atacama -ørkenen (Chile) på 5000 m over havets overflade.

I vores undersøgelse offentliggjort i Astronomi og astrofysik , vi brugte ALMA og detekterede (670 μm) vandovergangen i rummet, for første gang. Molekylerne blev spottet i en nærliggende spiralgalakse (160 millioner lysår væk) på et tidspunkt, hvor universet er meget udvidet, og atmosfæren er derfor på sit mest gennemsigtige (rødforskudt ved 676 μm).

Vanddampemissionen i denne galakse stammer fra dens kerne, i sin kerne, hvor mest stjernedannelse finder sted. For at give dig en idé om, hvor enorm denne galakse er, kernen indeholder en tilsvarende mængde vand, der er 30 billioner gange mængden af ​​Jordens oceaner tilsammen, og har en diameter på 15 millioner gange afstanden fra Jorden til Solen.

Så hvad adskiller denne vandovergang fra andre observerede tidligere? Vores analyse afslørede, at disse vandmolekyler intensiverer deres emissionshastighed, når de kommer i kontakt med infrarøde lysfotoner. Denne stigning i aktivitet gør det lettere for forskere at observere dem. Vandmolekyler er mest tiltrukket af fotoner med specifikke bølgelængder på 79 og 132 μm, hvilken, når det absorberes, styrke overgangens omrids, øger derfor dets synlighed. Af denne grund, denne specifikke vandovergang har evnen til at vise os intensiteten af ​​det infrarøde lys i galaksernes kerne, i rumlige skalaer meget mindre end dem, der tillades af direkte infrarøde observationer.

Infrarødt lys produceres under begivenheder som væksten af ​​supermassive sorte huller eller ekstreme udbrud af stjernedannelse. Disse hændelser forekommer normalt i ekstremt tilslørede omgivelser, hvor det optiske lys næsten fuldstændigt absorberes af støvkorn. Den energi, der absorberes af kornene, øger deres temperatur, og de begynder at udsende termisk stråling i det infrarøde.

At fange disse begivenheder kan fortælle os meget om, hvordan universet opfører sig. Men, da den eneste måde at studere dem i sådanne støvmørkede miljøer er gennem det infrarøde lys, detekterer vandovergange, der fanger dette infrarøde lys, er livsvigtig.

Fremadrettet planlægger vi at observere denne vandovergang i flere galakser, hvor støv blokerer alt det optiske lys. Dette vil afsløre, hvad der gemmer sig bag disse støvskærme og hjælpe os med at forstå, hvordan galakser udvikler sig fra stjernedannende spiraler, som Mælkevejen, til døde elliptiske galakser, hvor der ikke dannes nye stjerner.