Tajemnica cząsteczki wodoru

Pisarz science fiction Harlan Ellison, powiedział kiedyś, że najczęściej występującymi pierwiastkami są wodór i głupota. Podczas, gdy nadal niejasna jest ilość głupoty, naukowcy od dawna wiedzą, że faktycznie wodór jest zdecydowanie najobficiej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Gdy astronomowie spoglądają przez swe teleskopy, widzą wodór w rozległych obłokach pyłu i gazu pomiędzy gwiazdami - w szczególności w ich gęstszych obszarach, które zapadają się tworząc nowe gwiazdy i planety.

Zagadką jednak pozostaje, dlaczego tyle z tego wodoru występuje w postaci cząsteczkowej - czyli dwóch atomów związanych ze sobą - zamiast w zwykłej formie pojedynczych atomów? Skąd się wziął cały ten cząsteczkowy wodór? Naukowcy ze Stanowego Uniwersytetu Ohio (ang. Ohio State University) zdecydowali się ostatnio spróbować odpowiedzieć na te pytania. Odkryli, że jeden, pozornie nieistotny szczegół - czy powierzchnia drobin międzygwiezdnego pyłu jest gładka czy chropowata - może wyjaśniać występowanie we Wszechświecie tak dużych ilości cząsteczkowego wodoru. Swe wyniki naukowcy przedstawili na 60-tym Sympozjum Spektroskopii Molekularnej, które odbyło się na Stanowym Uniwersytecie Ohio.

Wodór jest najprostszym znanym pierwiastkiem atomowym; składa się tylko z jednego protonu i jednego elektronu. Naukowcy, tworzący teorie o powstawaniu we Wszechświecie większych i bardziej złożonych molekuł, zawsze uważali za oczywiste występowanie cząsteczkowego wodoru. Jednak nikt nie potrafił wyjaśnić, w jaki sposób tak wiele atomów wodoru było zdolnych do utworzenia molekuł - aż do teraz.

Aby dwa atomy wodoru, mające wystarczająco dużą energię by połączyć się w zimnych otchłaniach przestrzeni kosmicznej, faktycznie utworzyły cząsteczkę, muszą się najpierw spotkać na jakiejś powierzchni, wyjaśnia Eric Herbst, honorowy profesor Uniwersytetu Ohio. Mimo, iż naukowcy podejrzewali, że kosmiczny pył zapewnia odpowiednią powierzchnię dla takich reakcji chemicznych, symulacje w laboratorium takich procesów nigdy się nie udawały, a przynajmniej nie w takim stopniu, który by wyjaśniał obfitość cząsteczkowego wodoru widzianego w przestrzeni. Herbst, profesor fizyki, chemii i astronomii połączył siły z Hermą Cuppen, naukowcem na stażu doktorskim oraz Qiangiem Changiem, doktorantem (oboje w dziedzinie fizyki), aby przeprowadzić komputerowe symulacje różnych powierzchni ziaren pyłu. Następnie wymodelowali ruch dwóch atomów wodoru kłębiących się na różnych powierzchniach, aż udało im się połączyć atomy w cząsteczkę.

Biorąc pod uwagę ilość pyłu, jaka według naukowców unosi się w przestrzeni, badacze z Ohio mogli przeprowadzić symulacje wytworzenia odpowiedniej ilości wodoru, lecz jedynie na chropowatych powierzchniach. Jeśli chodzi o tworzenie molekuł wodoru, idealną, mikroskopową powierzchnią będzie "mniej płaskość Ohio, a bardziej strzelistość Manhattanu", powiedział Herbst. Wygląda więc na to, że poprzednie symulacje nie kończyły się powodzeniem, gdyż zawsze zakładały płaską powierzchnię. Cuppen doskonale wie, dlaczego: "Gdy chcesz coś przetestować, zaczynasz od płaskiej powierzchni, bo tak jest po prostu szybciej i łatwiej", mówi. Cuppen jest ekspertem od zagadnień związanych z powierzchnią, jednak nadal zabrało jej wiele miesięcy wypracowanie modelu chropowatej drobiny pyłu i wciąż pracuje nad jego udoskonaleniem. Ostatecznie, inni naukowcy będą mogli użyć tego modelu do symulacji innych reakcji chemicznych zachodzących w przestrzeni.

Tymczasem, naukowcy z Uniwersytetu Ohio współpracują z kolegami z innych instytucji, którzy wytwarzają i wykorzystują w badaniach takie chropowate powierzchnie imitujące fakturę pyłu kosmicznego. Mimo, iż prawdziwe cząstki tego pyłu są wielkości ziaren piasku, te, wielkości małej monety, pozwolą naukowcom testowanie możliwości formowania cząsteczkowego wodoru na różnych powierzchniach w warunkach laboratoryjnych.

29 lipca 2005
Źródło: NASA | Marek Weżgowiec

Liczba odsłon: 1629