Teksti Sisko Loikkanen, kuvat Istock
Hyytävässä kylmyydessä ja näennäisessä tyhjyydessä syntyy kemiallisia sidoksia. Astrokemistit pystyvät jäljittämään tähtien välisen aineen tapahtumia laboratorio-oloissa. James Webb – ja ALMA-teleskoopit tuottavat tutkijoille yhä tarkempaa dataa. Minne kaikkialle elämän perusmolekyylit ovat levinneet?
Kun pimeänä, pilvettömänä talvi-iltana katsahdamme ylös taivaalle, näemme paljain silmin valtavan määrän tuikkivia tähtiä, varsinkin Linnunradan valovyössä.
Tähtien väliin jää paljon tyhjää. Näky hämää. Siellä on tähtienvälistä, interstellaarista ainetta. 90 prosenttia siitä on vetyä, noin yhdeksän prosenttia heliumia ja loppuosa muita raskaampia aineita.
Tähtien välisessä aineessa on jäätä, pölykertymiä ja tiheämpiä molekyylipilviä.
Olosuhteet tähtien välissä vaihtelevat ja saattavat olla ankarat, kun kosminen säteily pommittaa harvaa ainetta ja kylmyys on hyytävä, vain muutamia kelvinejä.
Lämpötila kuitenkin vaihtelee ja nousee jopa miljooniin Kelvineihin supernovaräjähdysten ympäristöissä.
Hyytävä kylmyys ei äkkiseltään tuntuisi mahdollistavan reaktioita, mutta kylmässäkin aineet yhtyvät toisiinsa ja syntyy kemiallisia sidoksia.
Mikä tähtien välissä kiinnostaa?
Astrokemiassa tutkitaan avaruuden kemiaa monipuolisesti. Tutkijoita kiinnostavat erityisesti ne molekyylit, joita esiintyy tähtienvälisissä molekyylipilvissä ja avaruuden alueilla, joissa syntyy uusia tähtiä ja aurinkokuntia planeettoineen.
Pyrkimys on saada kokonaiskäsitys kemiallisista reaktioista ja prosesseista tähtien syntysijoilla. Päähuomio on hiiliyhdisteissä, joihin elämä maapallolla perustuu.
Astrobiologit puolestaan etsivät vastausta kysymykseen, millainen kemia on synnyttänyt elämää maapallolle ja löytyykö avaruudesta mahdollisia elämänmerkkejä.
Tutkimus perustuu spektroskopiaan ja laboratoriokokeisiin
Teleskoopit maan pinnalla, satelliiteissa ja avaruusluotaimissa keräävät tutkijoille spektridataa avaruuden kohteista eri aallonpituusalueella.
Uudehkoja tutkimusinstrumentteja ovat muun muassa Chilessä sijaitseva ALMA-teleskooppiverkosto ja Hubble-avaruusteleskoopin seuraaja, vuonna 2021 laukaistu James Webb -teleskooppi.
Teleskooppien verkosto ALMA tarjoaa näkymän maailmankaikkeuden alkuhetkiin asti.
ALMA kerää Atacaman autiomaassa 66 antennilla dataa millimetri- ja alimillimetrialueella aallonpituuksilla 0,32-3,6 mm. Se tarjoaa näkymän maailmankaikkeutemme äärilaidoille asti, alkuhetkiin. ALMA huomaa sellaisetkin molekyylipilvet, jotka eivät näy näkyvän valon alueella.
James Webb -teleskooppi on jo muutamassa toimintavuodessaan tuottanut hämmästyttävän tarkkoja kuvia galakseista, sumuista ja oman aurinkokuntamme kohteista. Se kerää dataa näkyvän valon alueelta punaisesta päästä aina keski-IR-alueelle asti.
Teleskooppidatan tulkinnan lisäksi astrokemistit tekevät laboratoriokokeita, joissa jäljitellään avaruuden oloja. He selvittävät, millaisia yhdisteitä äärioloissa voi ylipäänsä syntyä.
Kun reaktiotuotteista ajetaan spektrit ja verrataan niitä avaruudesta saatuun dataan, parhaassa tapauksessa teleskooppidatasta löytyy samanlainen spektri.
Tällaisessa onnekkaassa tapauksessa avaruuden outokin yhdiste voidaan tunnistaa ja varmistaa. Apuna ovat nykyisin tietokonemallinnus, tekoäly ja koneoppiminen.
Maailmankaikkeuden ensimmäinen molekyyli
Maailmankaikkeus sai alkunsa 13,8 miljardia vuotta sitten. Kun alkuräjähdyksen jälkeen avaruus viileni, alkeishiukkasista alkoi muodostua vetyä ja heliumia.
Maailmankaikkeuden ensimmäinen kemiallinen sidos syntyi, kun nämä keveimmät alkuaineet yhtyivät heliumhydridiksi, HeH+. Tämä tapahtui arviolta 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.
Vuonna 2019 vahvistettiin, että heliumhydridiä on yhä maailmankaikkeudessa. Sitä löydettiin planetaarisesta sumusta NGC 7027 SOFIA -observatoriohankkeessa, jossa avaruutta kartoittava teleskooppi ja mittauslaitteet oli sijoitettu stratosfäärissä lentävään lentokoneeseen.
Jo aiemmin vuonna 2013 oli toisenkin jalokaasun, argonin, hydridiä ArH+ havaittu Rapusumussa.
Vaikka jalokaasut ovat varsin passiivisia ja haluttomia reagoimaan maan pinnalla, avaruuden äärioloissa ne muodostavat kemiallisia sidoksia.
Isohkotkin molekyylit voivat säilyä ehjänä äärioloissa.
Noin 300 avaruuden molekyyliä tunnistettu
Aivan ensimmäisiä kemiallisesti sidottuja rakenteita onnistuttiin tunnistamaan avaruudesta jo 1930-luvulla. Kyse oli lähinnä pienistä hiiltä sisältävistä radikaaleista.
Noihin aikoihin pohdittiin, voivatko isohkot molekyylit lainkaan säilyä ehjänä avaruuden äärioloissa. Sittemmin niitäkin on löydetty.
Tähän mennessä avaruudesta on tunnistettu kolmisensataa erilaista molekyyliä. Ne ovat sekä epäorgaanisia että orgaanisia, ioneja tai radikaaleja. Osa niistä on tuttuja maan päältä, osa taas hiukan eksoottisempia.
Avaruuden tutkiminen on tuottanut jo yhden kemian Nobel-palkinnon. Pitkäketjuisia hiiliyhdisteitä kaukaa avaruudesta kartoittanut brittiläinen kemisti Harold Kroto toteutti vuonna 1985 yhteistyössä Richard Smalleyn ja Robert Curlin kanssa Rice-yliopistossa Yhdysvalloissa kokeen, jossa jäljiteltiin hiilirikkaiden punaisten jättiläistähtien olosuhteita.
Kokeessa syntyi pelkästä hiilestä koostuvaa hiilipallosta fullereenia C₆₀ ja hiukan isompaa hiilimolekyyliä C₇₀. Tutkijakolmikko palkittiin kohahduttavasta löydöstä Nobelilla vuonna 1996.
Kroto oli vakuuttunut siitä, että fullereenia on myös avaruudessa. Vuonna 2010 kaukaisesta planetaarisesta sumusta löydettiinkin sekä C₆₀ että C₇₀-hiilipallot. Ne ovat suurimmat avaruudesta toistaiseksi löytyneet molekyylit.
Miksi avaruudessa on metaania?
Metaania tavataan avaruudessa melko yleisesti. On joskus pohdittu, onko metaani elämän merkki avaruudessa. Mutta tätä yksinkertaisinta orgaanista ainetta voi syntyä myös geologisten prosessien tuloksena.
James Webb -teleskoopin datan perusteella metaania on kaukaisen eksoplaneetan kaasukehässä ja varhaisen vaiheen prototähden ympäristössä, jossa tunnistettiin myös etikkahappoa, etanolia, asetaldehydiä, muurahaishappoa ja metyyliformaattia.
Marsilla kulkeva mönkijä on saanut viitteitä metaanista.
Omassa aurinkokunnassamme metaania on ainakin Jupiterin, Saturnuksen ja sen kuun Titanin, Uranuksen ja Neptunuksen kaasukehissä.
Titanin erikoisuus ovat sen pinnalla olevat järvet ja meret, joissa metaania ja etaania on nestemuodossa.
Marsin pinnalla kulkeva mönkijä on puolestaan saanut viitteitä planeetan pinnan alta tihkuvasta metaanista. Tämä askarruttaa tutkijoita.
Ovatko PAH-yhdisteet avaruuden hiilivarasto?
Polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen, PAH-yhdisteiden, on ajateltu olevan kenties merkittävä avaruuden hiiliyhdistevarasto ja aurinkokuntamme ja maapallon kaltaisten planeettojen hiilikemian lähde.
Tähän mennessä PAH-yhdisteitä on tunnistettu tähtien välisestä aineesta, komeetasta, meteoriitista ja asteroidista.
Härän tähdistön alueella sijaitsevasta molekyylipilvestä TMC-1 tunnistettiin syanonaftaleenia, pyreeniä ja syanopyreeniä.
Pyreenissä neljä bentseenirengasta on kiinni toisissaan, kylki kyljessä. Se on suurin avaruudesta löydetty PAH-yhdiste. Sitä löydettiin runsaasti myös Ryugu-asteroidista, josta japanilainen Hayabusa2-avaruusluotain haki näytteitä vuonna 2018. Näyte sisälsi myös naftaleenia, fenantreenia, antraseenia ja fluoranteenia.
Hiiltä syntyy tähtien sisuksissa ydinreaktioissa.
Vielä ei tiedetä, miten PAH-yhdisteitä syntyy avaruudessa. On epäselvää, voiko tällaisia rengasyhdisteitä muodostua Härän tähdistön 10 kelvinin kylmyydessä. Vai ovatko molekyylit kulkeutuneet sinne kuumemmilta syntysijoilta?
Molekyylipilvissä ja asteroidien kaltaisissa kivikappaleissa havaittujen PAH-yhdisteiden välillä uskotaan olevan jokin yhdistävä linkki.
Hiiliyhdisteiden hiiliatomit tähtien välisessä avaruudessa ovat lähtöisin kuolevista tähdistä.
Hiiltä syntyy tähtien sisuksissa ydinreaktioissa, joissa vety fuusioituu ensin heliumiksi ja heliumista edelleen hiileksi.
Kun tähti romahtaa elinkaarensa loppuvaiheessa, avaruuteen vapautuu hiiltä. Massiiviset tähdet räjähtävät elämänsä ehtoolla supernovina, ja voimakkaassa räjähdyksessä hiili sinkoutuu avaruuteen.
Kuinka elämä sai alkunsa?
Kiinnostavin kysymys lienee, miten elämä maapallolla sai alkunsa ja tulivatko elämän molekyylit avaruudesta vai syntyivätkö ne täällä.
Vuonna 1953 Stanley Miller ja Harold Clayton Urey tekivät Chicagon yliopistossa kuuluisan Urey-Millerin kokeen. Se todisti, että aminohappoja ja nukleotidiemäksiä voi syntyä epäorgaanisista lähtöaineista.
Näitä molempia on löydetty jo avaruudesta. Glysiini-aminohappoa on Wild 2 -komeetalta otetussa näytteessä ja 67P/Churyumov-Gerasimenko -komeetan kaasupilvessä.
Tärkeä kysymys: ovatko elämämme perusmolekyylit kulkeutuneet jonnekin muuallekin avaruudessa?
Vuonna 2020 toimintansa lopettaneen Spitzer-teleskoopin datasta on päätelty, että Perseuksen tähdistön molekyylipilvessä olisi suuria määriä tryptofaani-aminohappoa. Tulos on kuitenkin kiistanalainen ja vaatii lisätutkimuksia.
Vuoden 2025 tammikuussa NASA julkaisi tutkimukset Bennu-asteroidin regoliittinäytteestä. Siitä identifioitiin peräti 33 aminohappoa. Niistä 14 on ihmiselle välttämättömiä eli sellaisia, joita tarvitaan proteiinien muodostukseen.
Lisäksi näyte sisälsi kaikki viisi nukleotidiemästä, adeniinin, guaniinin, tymiinin, sytosiinin ja urasiilin, jotka ovat deoksiribonukleiinihapon DNA:n ja ribonukleiinihapon RNA:n rakenteen oleellisia osia.
Perusmolekyylejä tähtien välissä
Tähtien välisen aineen olosuhteissa voi jäisten kiteiden ja pölyjen pinnalla syntyä monimutkaisia hiiliyhdisteitä.
Leidenin yliopistossa on tutkittu laboratoriokokeissa elämän molekyylien muodostumista. Tutkijat toteuttivat reaktion interstellaarisissa olosuhteissa.
Huomattiin, että jäisten pölyhiukkasten pinnalla syntyi metyyliamiinia. Siitä voi jatkoreaktiossa syntyä glysiiniä, jota tarvitaan proteiinien rakenteen osaksi.
Ovatko elämän perusmolekyylit planeetallamme todella lähtöisin interstellaarisesta aineesta? Jos ovat, todennäköisesti näitä molekyylejä on ajautunut avaruudessa muuallekin, sinne tänne. Maapallo ei olisikaan ainoa paikka, jossa on elämää.
Kirjoittaja Sisko Loikkanen on tiedetoimittaja ja kemian tekniikan DI.
Lue myös:
Hackmaniitti sytytti monta lamppua
Hiilipallon uudet muodot – tutuksi luultu hiili tuottaa tutkijoille yllätyksiä
