Såväl galaxer och svarta hål som stjärnors födelse och uppkomsten av liv påverkas av dammkornen i universum som är mikroskopiska kemiska fabriker. Forskare i Göteborg vill nu ta reda på hur de bildas.

Foto: ESO / B. Tafreshi
Runt 90 procent av luftens partiklar skapas naturligt, vid vulkanutbrott, skogsbränder, sandstormar eller vid växternas fröbildning. Även våra moderna nanomaterial liksom tågens och spårvagnarnas gnisslande bromsar skapar damm och blir en del av människans bidrag. Men dammpartiklar finns inte bara i vår närhet, utan även i rymden där stjärnor bildas, i supernovor och runt svarta hål. Detta kosmiska damm kallas även rymdstoft.
Rymdstoft kan bestå av silikater, ungefär som vanliga sandkorn, men stoftkornen är tusentals gånger mindre. De kan också bestå av kol och väte, eller rent kol, som formar små nanodiamanter eller grafit, men även mer oordnat, amorft, kol.
Kosmiskt damm bildas när stjärnor dör. Hur dammet bildas är däremot höljt i mörker. Det är dock viktigt att förstå kemin bakom processen, eftersom dammet har en avgörande betydelse för universums utveckling. Det behövs för att sätta igång kemiska reaktioner – och när galaxer och stjärnor bildas. Utan dammkorn bildas färre spiralgalaxer, som vår Vintergata där stjärnorna är koncentrerade i armar som roterar runt ett ljusstarkt centrum. Troligen skulle inte heller liv som vi känner det existera. Från observationer med teleskop vet vi en hel del om dammets sammansättning, men inte hur det går till på atomnivå när stoftkornen bildas.
Världens förnämligaste teleskop kommer att leverera mer högupplösta data än någonsin tidigare till projektet.
I ett projekt som drog igång för drygt två år sedan ska astronomer från Chalmers i samarbete med kemister från Göteborgs universitet gå till botten med det. Astronomerna försöker till exempel förstå mängden av stoftkorn, deras sammansättning och storleksfördelningen på stoftkornen i olika områden. Kemisterna utforskar hur olika sorters stoftkorn kemiskt kan bildas från atomer och växa till sig.
Världens förnämligaste teleskop kommer att leverera mer högupplösta data än någonsin tidigare till projektet. The Atacama large millimeter array, Alma, invigt 2013 och placerat på en högplatå i Chile, är det främsta landbaserade teleskopet. I rymden finns James Webbteleskopet som skickades ut på juldagen 2021 för att ta över efter det berömda Hubbleteleskopet.
Med hjälp av data från dessa har Chalmersastronomerna nyligen hittat tecken på att enorma gasmoln som är extra rika på stoftkorn döljer supermassiva svarta hål inom sig. Det betyder att det kan finnas fler supermassiva svarta hål än vad vi hade förväntat oss. Astronomin upplever just nu en guldålder. Vi letar specifikt efter nya pusselbitar till dammets gåtor. Samtidigt bygger dagens projekt på forskning som utförts under flera decennier.
Stoftkornen i rymden är ensamma krakar. De finns bland annat i enorma gasmoln där stjärnor bildas, där de har runt en kilometer till närmaste granne. Eftersom gasmolnen är gigantiska blir stoftkornen ändå många. Tillsammans kan de därför stänga ute stjärnornas värmande strålar från molnens inre delar, som när sandkornen i en sandstorm förmörkar himlen. Gasmolnet blir mörkt och kallt. Temperaturen är så låg som -263 grader Celsius.
Att stoftkornen kan påverka stjärnbildning är ren kemi och fysik. Delar av gasmolnen är tätare än andra delar och bildar klumpar i molnet. I klumparna leder gravitationskraften mellan atomer, molekyler och stoftkorn till att den delen av molnet börjar dra ihop sig. När detta sker frigörs enorma mängder energi. Jämför med att du står högst upp på det 102 våningar höga Empire state building i New York och hoppar ner. Du faller då i jordens gravitationsfält och får upp en hög fart innan du kraschlandar.
Stoftkornen i rymden är ensamma krakar.
Stoftkornen i rymdmolnen gör liknande hopp och börjar falla mot molnklumparnas centrum. De rör sig allt fortare, får upp en väldig hastighet och enorma mängder energi frigörs. Samtidigt blir molnklumpen allt mindre och kompaktare. Partiklarna kommer allt närmare varandra och kolliderar allt kraftigare. Kollisionerna kastar då en del av partiklarna utåt igen. Molnklumpens sammandragning, det vill säga stjärnbildningen, blir ineffektiv.
Här, i stjärnornas barnkammare, träder stoftkornen in. I kollisioner fångar de mycket av energin hos de snabba atomerna och molekylerna som då saktar ner. Stoftkornen har nu mer energi än de vill ha och gör sig av med den igen. De omvandlar den extra energin till fotoner, det vill säga ljus, som sedan susar ut ur molnet med ljusets hastighet. Molnklumpen fortsätter dra ihop sig, den blir allt hetare, och till slut föds en ny stjärna.
Stoftkornen i rymden har även en annan viktig funktion. Atomer och molekyler landar på dem och fastnar lätt eftersom det är så ruskigt kallt. Därmed kan stoftkornen bli som kemiska fabriker. Atomerna och molekylerna vandrar runt på kornet, hittar varandra och reagerar. Nya, mer komplexa molekyler bildas, däribland glycin, som är en av aminosyrorna i våra kroppar.
Stoftkornen fungerar som katalysatorer – de snabbar upp kemiska processer utan att själva förbrukas. På grund av det extremt låga trycket i molnen kan det annars ta åratal innan en atom krockar med en annan.
Det finns mer stoft i universum än vad vi kan förklara med dagens modeller och beräkningar. Kemisterna i samarbetsprojektet ska därför tolka astronomernas observationer på molekylär nivå med teoretiska beräkningar och följa enskilda atomers rörelse, hur nya molekyler bildas och hur dessa växer till sig och i förlängningen blir stoftkorn. Beräkningarna ska simulera de extrema, men väldigt olika, förhållanden som råder på skilda platser i rymden. De ska till och med efterlikna de förhållanden som gällde när vårt universum var ungt, ungefär 13 miljarder år tillbaka i tiden. Redan då fanns överraskande stora mängder stoftkorn i rymden. Forskarna ska i projektet följa hur dammets karaktär förändrats under miljarder år och även hur de enskilda stoftkornen omformas under sin livstid i de hårda miljöer de lever i.
Stoftkornen i rymden är en del i ett kretslopp. De bildas, lever och spelar sin roll, men förstörs till slut – sannolikt när de bombarderas av fotoner eller snabba partiklar – eller så blir de delar av nya himlakroppar. De kan ingå i det kretslopp där supernovor kastar ut material, som ger enorma gasmoln där nya stjärnor bildas. Stjärnorna lever sina liv och kan om de är tunga nog explodera som nya supernovor och skapa nytt damm.
Artikeln kommer ursprungligen ifrån Kemisk Tidskrift nr 4 2023 (om du är medlem och behöver lösenordet till PDF-versionen av tidningen som du finner via länken, mejla Kemisamfundet på info@kemisamfundet.se)
Kemisk Tidskrift skickas ut till medlemmar i Svenska Kemisamfundet.
Läs mer om medlemskapet här: Medlemskap – Svenska Kemisamfundet
Text: Gunnar Nyman, professor i fysikalisk kemi vid Göteborgs universitet.