Kárpátaljai kutatók – Molekuláris ütközések a csillagok közötti térben

Nemrég olvashattak lapunkban Demes Sándor kutatóról, mérnök-fizikusról, aki jelenleg Franciaországban tartózkodik egy posztdoktori pályázat keretében. A Botfalváról származó fiatalember Ungváron tanult, majd Debrecenben dolgozott, különféle tudományos munkákban vett részt. Most külföldön asztrofizikával kapcsolatos kutatást végeznek. Ehhez fűződő felfedezéseit tanulmányba foglalta, amit kérésünkre rövidített, és forrásmegjelölések nélküli, közérthető formában a Kárpáti Igaz Szó tudománynépszerűsítő rovatában is közread.

Demes Sándor

A társadalmat mindig is foglalkoztatta az égbolt, az űr, a csillagok megismerése. Az emberek már ősidők óta a „csillagok járása” és a csillagképek alapján tájékozódnak, ehhez kötötték vallási és egyéb szertartásaikat, legendákat és mítoszokat fűztek hozzájuk, természetfelettiként tekintettek az égitestekre. A modern korban az űrkutatás, más néven asztronómia lett a technológiai fejlődés úttörője: felsorolni is hosszú lenne, mennyi ma használatos eszköz és módszer köthető direkt módon az űr meghódításába fektetett erőfeszítésekhez. Példának okáért említhetnénk a telekommunikációs eszközök által használt adatátviteli módszereket vagy a műholdas telekommunikációt, a digitális fényképezők és kamerák fényérzékelőit és képalkotó algoritmusait, a GPS műholdas helymeghatározási eszközöket, vagy akár a gyógyászatban használt MRI és CT eszközök képalkotási módszereit, melyek mind a űrkutatás eredményeképp vagy annak melléktermékeként jöhettek létre. Azonban ettől függetlenül a legfontosabb oka annak, hogy az ember kíváncsian fürkészi és kutatja az eget, ahogy egykoron, ma is az, hogy megtalálja a talán legnagyobb és legbonyolultabb kérdésekre a választ:

hogyan alakult ki a ma ismert világ és benne az emberiség, az élet? Van-e kezdete és vége a világmindenségnek?

Milyen az univerzumunk térben és időben: tágul-e vagy szűkül, elmúlik-e valaha, és ha igen, hogyan? Ma is egyértelműen ezek és az ehhez hasonló kérdések a fő mozgatórugói az űrkutatásnak.

Az űrkutatás és annak specifikusabb részei, például az asztrofizika vagy asztrokémia, mind-mind olyan szeletei a tudománynak, amelyek alapjaiban már az ókor óta foglalkoztatják az embereket, a hatalmas távolságok és a megfelelő eszközök hiánya miatt viszont sokáig nem tudtak olyan iramban fejlődni, mint más tudományágak. A modern tudományos eszközök és módszerek révén viszont ma már számos olyan lehetőség áll rendelkezésünkre, amelyekkel az eddig felfedezetlen vagy kevésbé ismert világűrről (mint például a csillagközi térről) és az ott zajló jelenségekről is részletes ismereteket szerezhetünk.

De vajon mi is az a csillagközi tér és milyen anyag tölti ki? Hogyan tudjuk azt kutatni, ami ilyen távol, több száz vagy több ezer fényév távolságra van tőlünk?

A csillagközi tér nem más, mint a csillagrendszerek közötti „űr”. A Tejútrendszer galaxis egyik ilyen csillagrendszere a sok milliárd közül a mi Naprendszerünk is. Azt hihetnénk, hogy az egymástól ilyen hatalmas távolságra lévő csillagrendszerek közötti hideg és sötét űrben nem található semmilyen anyag. Habár tapasztalataink ezt már egy jó ideje megcáfolták, ennek az univerzumnak a kutatása mégiscsak az utóbbi 50 évben indult meg igazán számottevően. A csillagközi tér igen gazdag, főképp olyan gázok alkotják, amelyek atomi vagy molekuláris formában is előfordulhatnak, de szilárd halmazállapotú anyagok, ún. kozmikus porok is megtalálhatóak ebben a fölöttébb különös közegben. A csillagközi anyag egyáltalán nem homogén (egyenletes): egyes részeiben sűrűbb, máshol ritkább, néhol magasabb, néhol alacsonyabb a hőmérséklete. Jellemző belsejében az erős infravörös (alacsony frekvenciájú) sugárzás megléte.

Nagyrészt hidrogén alkotja (több mint 90%-ban), amely mellett legnagyobb mennyiségben hélium, szén, oxigén és nitrogén található meg benne. Ezek azonban nemcsak atomi formában vagy kétatomos gázként vannak jelen, hanem egészen komplex, akár 13 atomból álló molekulákat is alkothatnak.

A csillagközi anyag helyenként erősen koncentrált, az ilyen gócokban pedig hatalmas kiterjedésű molekuláris felhők, ún. molekulaködök vagy más néven nebulák jönnek létre. Az egyik legkorábban megismert része a csillagközi térnek az Orion Komplexum vagy Orion Molekulafelhő. Ebben például több, kisebb-nagyobb nebula is található, melyek közül a legismertebbek és leglátványosabbak az Orion-köd (NGC 1976), a Lófej-köd (Bernard 33), valamint a Láng-köd (NGC 2024). Ezeket a ködöket, amelyek egyben mind aktív csillagkeletkezési területek, főképp összesűrűsödő ionizált gázok alkotják. Azonban a gázok sűrűsége itt igencsak alacsony, több ezer milliárdszor kisebb a Föld légköréhez viszonyítva. Így érthető, hogy a hőmérséklet is lényegesen alacsonyabb a csillagközi térben a Földön tapasztalható hőmérsékleteknél.

De pontosan milyen módszerekkel is kutathatóak ezek a távoli területek? Először is néhány kísérleti, empirikus módszert veszünk szemügyre. A legrégebbi és máig nagyon fontos módja az űr kutatásának az optikai teleszkópos módszer. Ez érthetően a távcsöves megfigyeléseket és fényképezést foglalja magába, amelyet eleinte csak a Földről végeztek, később azonban már a világűrből is. A csillagközi térről az utóbbi évtizedekben a legjobb minőségű és legrészletesebb fotókat az 1990-ben pályára állított Hubble Űrteleszkóp készítette, mely a láthatatlan ultraibolyától a látható színképen keresztül egész a közeli infravörös spektrumig készít nagy felbontású fotókat. A Hubble-nak köszönhetünk rengeteg részletgazdag és izgalmas képet többek között a fentebb említett ködökről is.

Az optikai módszernek köszönhetően sok fontos információt tudhatunk meg az űrről, mint például egyes objektumok távolsága, a Földhöz viszonyított iránya, mozgása, viszonylagos kémiai összetétele, hőmérséklete stb.

Ahhoz azonban, hogy részletesen megismerjük a csillagközi térben lejátszódó folyamatokat, más eszközök és módszerek is szükségesek.

Mivel a csillagközi tér nagyon hideg és ritka, így a molekulafelhőkben végbemenő ütközések a kis sűrűség miatt viszonylag ritkák és lassúak, ezért az innen eredő sugárzások sokszor nem láthatóak klasszikus optikai eszközökkel. A kis energiájú sugárzás mérésére például az infravörös-spektroszkópia ad lehetőséget. Az űr megismeréséhez szükséges ilyen típusú méréseket infravörös teleszkópokkal végzik, amelyek a mikrométer hullámhosszú skálán képesek „fotókat” készíteni. Léteznek földi bázisú infravörös távcsövek (pl. a NASA IRTF teleszkópja Hawaii-on), valamint az űrben működőek is, mint például az Európai Űrügynökség (ESA) Herschel űrtávcsője. Az ezekkel rögzített emissziós vagy sugárzási spektrumok alapján be lehet azonosítani a távoli világűrben, pl. a csillagközi térben lejátszódó folyamatokban részt vevő anyagok – molekulák és atomok – típusát, állapotát, viszonylagos koncentrációját, valamint sok más olyan fizikai és kémiai jellemzőjét, ami fontos információkkal segíti például a molekulaködök összetételének és az abban végbemenő folyamatoknak a pontos megértését.

Az űrkutatás kísérleti módszereit és eszközeit, valamint az ehhez kapcsolódó technikai vívmányokat hosszasan lehetne még sorolni és elemezni. Az viszont talán kevésbé közismert, hogy az asztronómiának rengeteg fontos elméleti kutatási módszere is létezik. Ezek pedig sokszor elengedhetetlenek a kísérleti megfigyelések pontos értelmezéséhez vagy alátámasztásához, de akár becslést is nyújthatnak olyan folyamatokat illetően, melyeket különböző okok miatt nem tudtak még kísérletileg megfigyelni. Az empirikus és elméleti kutatások így egészítik ki egymást. A kísérleti eszközök lehetőségei ugyanis sajnos még a jelenlegi fejlettségi szint mellett is igencsak korlátozottak. Hogy példákat is említsünk, a mérőeszközök felbontása, a mérési bizonytalanság vagy a megfigyelés során fellépő zajok mind-mind olyan faktorok, amelyek bizonytalanná és sokszor önmagukban értelmezhetetlenné teszik a megfigyelések eredményeit. Az elméleti módszerek ezzel szemben a fizika és kémia jól megalapozott törvényeinek a lehető legpontosabb matematikai alkalmazásán alapulnak. Így például az űrben jellemző molekulák ütközésének folyamata nagy pontossággal modellezhető a kvantumfizika, az atomok és az elemi részecskék mozgása, valamint a kémia szabályait segítségül híva. Az ilyen folyamatok viszont igencsak összetettek, így a matematikai modellezéshez mindenképp nagy számítási kapacitásra van szükség. Erre használják az elméleti kutatásokban a nagy teljesítményű szuperszámítógépes erőforrásokat.

Például ahhoz, hogy pontosan meg tudjuk becsülni egyes molekulák koncentrációját és állapotát a csillagközi térben, pontosan meg kell ismernünk a molekula-kölcsönhatások részleteit, amit a közöttük kialakuló erőtér határoz meg.

A molekulák és atomok folyamatos mozgása, rezgése és forgása miatt a köztük ható erők is folyamatosan változnak, melynek következtében a molekulák folyton változtatják az állapotukat, amit gerjesztésnek nevezünk. Az ilyen folyamatok megértése pedig hihetetlenül bonyolult matematikai és számítógépes modellezést igényel. Bízunk benne azonban, hogy a befektetett munka meghozza gyümölcsét, és a tudományos kutatások mind közelebb visznek majd bennünket a világegyetem, a csillagok, a bolygók, bennük pedig az élettelen és élő természet kialakulásának és formálódásának pontosabb megértéséhez.

Kép forrása: ESA