Zagonetka u oblacima gdje nastaju zvijezde: gdje je završilo 99 posto sumpora?

Sumpor je jedan od čestih elemenata u svemiru, ali u hladnim i gustim oblacima iz kojih nastaju zvijezde astronomi ga pronalaze mnogo manje nego što očekuju. Novo računalno modeliranje pokazuje da bi se dio odgovora mogao skrivati u ledenim zrncima prašine, gdje sumpor prelazi u oblike koje je teško prepoznati čak i u laboratorijskim pokusima.

Problem počinje u najhladnijim dijelovima međuzvjezdanog prostora

U rijetkim međuzvjezdanim oblacima sumpor se uglavnom ponaša očekivano. Njegova količina odgovara onome što astronomi predviđaju na temelju načina na koji se elementi stvaraju u zvijezdama i raspršuju kroz svemir.

No u gustim, hladnim molekularnim oblacima slika se naglo mijenja. Upravo su to područja u kojima se plin i prašina skupljaju dovoljno da iz njih nastanu nove zvijezde. Ondje opservacije pokazuju da nedostaje i do 99 posto sumpora koji bi trebao biti prisutan.

To ne mora značiti da je sumpor stvarno nestao. Vjerojatnije je da se promijenio u kemijske oblike koje je teško uočiti. Jedna od glavnih pretpostavki kaže da se veže u ledena zrnca prašine, gdje može završiti u složenim molekulama ili dugim lancima čistog sumpora. Takvi oblici mogu ostati skriveni jer ne ostavljaju jasan signal u podacima.

Nova studija, objavljena u časopisu Astronomy & Astrophysics, pokušava upravo taj problem približiti laboratoriju i računalnom modelu. Istraživači s Instituta Max Planck za izvanzemaljsku fiziku i španjolskog Centra za astrobiologiju nisu tražili sumpor izravno u svemiru, nego su pokušali razumjeti kako se on ponaša u ledu nalik onome na međuzvjezdanim zrncima prašine.

Pokus s ledom otkrio je kamo bi sumpor mogao nestajati

Polazište novog rada bio je laboratorijski pokus proveden 2024. godine. Istraživači su smjesu ugljikova dioksida i ugljikova disulfida ohladili na samo 10 kelvina, odnosno na oko minus 263 Celzijeva stupnja. Tako dobiveni led zatim su izložili vakuumsko-ultraljubičastim fotonima, vrsti zračenja koja u svemiru može razbijati molekule i pokretati novu kemiju na ledenim zrncima prašine.

Pod takvim zračenjem početne se molekule raspadaju, a njihovi se dijelovi spajaju u nove spojeve. U pokusu su nastali sumporov dioksid, karbonil-sulfid i drugi spojevi koji sadrže sumpor. Zabilježeni su i alotropi sumpora, odnosno lanci sastavljeni samo od atoma sumpora.

Najvažniji dio pokusa bio je prividni gubitak dijela sumpora. Mjerenja nisu jasno pokazala gdje je završio sav sumpor iz početne smjese. Jedno je objašnjenje da se dio vezao u duge sumporne lance, čije kemijske tragove korišteni instrumenti nisu mogli pouzdano izdvojiti.

U novoj studiji istraživači su taj laboratorijski postupak pokušali prenijeti u računalni model. Koristili su pyRate, program napisan u Pythonu, koji računa kako se kemijske vrste ponašaju i reagiraju u plinu i ledu. Autori navode da je to prvi uspješan pokušaj modeliranja složenog međuzvjezdanog ledenog analoga pomoću simulacije reakcijskih brzina.

Drugim riječima, cilj nije bio samo opisati pokus nakon što je već izveden. Model je trebao provjeriti mogu li postojeća pravila astro-kemije objasniti reakcije koje su se doista dogodile u laboratorijskom ledu

Na 10 kelvina kemija ne ide uobičajenim putem

Rezultat je pokazao da u tako hladnom ledu uobičajena slika kretanja molekula nije dovoljna.

U mnogim astro-kemijskim modelima pretpostavlja se da se molekule po površini leda polako pomiču zahvaljujući toplini. Kada naiđu na drugu molekulu, mogu reagirati i stvoriti novi spoj. Na temperaturi od samo 10 kelvina, međutim, takvo je kretanje vrlo ograničeno. Molekule gotovo nemaju energiju potrebnu za slobodno pomicanje kroz led.

Kada su istraživači u simulaciji dopustili samo taj oblik kretanja, kemija je gotovo zastala. Model nije mogao proizvesti širi skup sumpornih spojeva koji se pojavio u laboratorijskom pokusu.

Reakcije su krenule tek kada je model uzeo u obzir drukčiji scenarij. U tako hladnom ledu molekule ne moraju najprije dugo putovati kroz ledenu strukturu da bi naišle na partnera za reakciju. Kada ih ultraljubičasto zračenje razbije, njihovi fragmenti mogu se gotovo odmah povezati s najbližim susjedima. To bolje objašnjava kako u ekstremnoj hladnoći ipak mogu nastati novi spojevi sumpora.

Model je dao i važan podatak o tome koliko duboko zračenje može prodrijeti u takav led. Prema simulaciji, vakuumsko-ultraljubičasti fotoni ne djeluju samo na samu površinu, nego mogu doprijeti kroz oko stotinu tankih molekularnih slojeva. To pomaže odrediti koliko duboko zračenje može mijenjati kemiju ledenih zrnaca u svemiru.

Tragovi su možda bili prisutni, ali skriveni pod jačim signalom

Simulacija se nije potpuno poklopila s laboratorijskim mjerenjima. U pokusu je nakon obrade leda najizraženiji proizvod bio sumporov dioksid, uz veće količine sumpornih alotropa. Model je, međutim, predvidio manje tih tvari, a više karbonil-sulfida, sumporova monoksida i ugljikova monosulfida.

Na prvi pogled to bi se moglo činiti kao slabost modela. Kasnija analiza otvorila je drukčiju mogućnost. Kemijski tragovi sumporova monoksida i ugljikova monosulfida u infracrvenom spektru mogli su se preklopiti s mnogo jačim signalom sumporova dioksida. Drugim riječima, neke molekule možda su bile prisutne i u pokusu, ali ih je bilo teško jasno izdvojiti iz podataka.

Takav rezultat dobro pokazuje zašto se laboratorijski pokusi i računalni modeli moraju čitati zajedno. Model ne služi samo tome da potvrdi ono što je eksperiment već pokazao. Može upozoriti i na spojeve koji su u mjerenjima možda ostali prikriveni, osobito kada se njihovi kemijski potpisi preklapaju s jačim signalima.

Autori sada mogu doraditi pyRate kako bi bolje opisao kemiju međuzvjezdanog leda. Takvi modeli mogli bi pomoći i u tumačenju budućih opservacija svemirskog teleskopa James Webb, posebno pri potrazi za slabim kemijskim signalima u hladnim područjima svemira.

Zagonetka nestalog sumpora još nije riješena. Novi rad ipak jasnije pokazuje gdje bi se dio odgovora mogao skrivati: u ledu, u dugim sumpornim lancima i u spektralnim tragovima koji su možda već zabilježeni, ali ih dosad nije bilo moguće pouzdano izdvojiti.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.