Uma impressão artística do Observatório Espacial Herschel com suas observações da formação de estrelas na nebulosa Rosette ao fundo.
(Imagem: © C. Carreau / ESA)
Adam Hadhazy, escritor e editor da The Kavli Foundation, contribuiu com este artigo para Expert Voices: Op-Ed & Insights da Space.com.
De acampamentos acidentais a forjar consenso internacional em observatórios de grande orçamento, o laureado do Prêmio Kavli 2018 discute sua jornada pessoal e profissional no campo da astroquímica.
Nem todo o espaço é um lugar tão árido. As galáxias estão cheias de nuvens empoeiradas contendo ensopados ricos de moléculas, variando de simples gás hidrogênio a substâncias orgânicas complexas críticas para o desenvolvimento da vida. Compreender como todos esses ingredientes cósmicos se misturam na formação de estrelas e planetas tem sido o trabalho da vida de Ewine van Dishoeck.
Quimicamente treinada, van Dishoeck logo voltou os olhos para o cosmos. Ela foi pioneira em muitos avanços no campo emergente da astroquímica, aproveitando os telescópios mais recentes para revelar e descrever o conteúdo de vastas nuvens estreladas. Paralelamente, van Dishoeck realizou experimentos de laboratório e cálculos quânticos em terra firme entender a quebra de moléculas cósmicas pela luz das estrelas, bem como as condições sob as quais novas moléculas se acumulam como tijolos de Lego. [8 Mistérios desconcertantes da astronomia]
"Por suas contribuições combinadas à astroquímica observacional, teórica e de laboratório, elucidando o ciclo de vida das nuvens interestelares e a formação de estrelas e planetas", van Dishoeck recebeu o Prêmio Kavli 2018 em Astrofísica. Ela é apenas o segundo laureado em qualquer campo a ter sido distinguido como único destinatário do prêmio ao longo de sua história.
Para aprender mais sobre sua inovadora carreira em astroquímica e o que está por vir neste campo, a Fundação Kavli conversou com van Dishoeck em seu escritório no Observatório Leiden da Universidade de Leiden, na Holanda, pouco antes de participar de um churrasco de funcionários. Van Dishoeck é professor de Astrofísica Molecular e presidente eleito da União Astronômica Internacional (IAU).
A seguir, uma transcrição editada da discussão da mesa redonda. Van Dishoeck teve a oportunidade de alterar ou editar suas observações.
A FUNDAÇÃO KAVLI: O que a astroquímica nos diz sobre nós mesmos e o universo em que vivemos?
EWINE VAN DISHOECK: A história geral contada pela astroquímica é: qual é a nossa origem? De onde viemos, como fomos construídos? Como nosso planeta e sol se formaram? Isso nos leva a tentar descobrir os blocos básicos de construção do sol, da Terra e de nós. É como Legos - queremos saber quais peças estavam no edifício Lego definido para o nosso sistema solar.
Obviamente, os blocos de construção mais básicos são os elementos químicos, mas como esses elementos se combinam para criar blocos de construção maiores - moléculas - no espaço é crucial para entender como tudo aconteceu.
TKF: Você e outros pesquisadores já identificaram mais de 200 desses elementos moleculares no espaço. Como o campo evoluiu ao longo de sua carreira?
EVD: Na década de 1970, começamos a descobrir que moléculas muito incomuns, como íons e radicais, são relativamente abundantes no espaço. Essas moléculas estão ausentes ou possuem elétrons não emparelhados. Na Terra, eles não persistem por muito tempo porque reagem rapidamente a qualquer outro assunto que encontram. Mas, como o espaço é tão vazio, íons e radicais podem viver dezenas de milhares de anos antes de esbarrar em qualquer coisa.
Agora, estamos nos movendo para identificar as moléculas presentes no coração das regiões onde novas estrelas e planetas estão se formando, exatamente neste exato momento. Estamos deixando de detectar íons e radicais isolados em moléculas mais saturadas. Isso inclui moléculas orgânicas [contendo carbono] nas formas mais simples, como o metanol. A partir desse bloco básico de metanol, você pode criar moléculas como glicolaldeído, que é açúcar e etileno glicol. Ambas são moléculas "prebióticas", o que significa que são necessárias para a eventual formação de moléculas da vida.
Para onde o campo da astroquímica está se movendo, está longe de fazer um inventário de moléculas e tentar entender como essas diferentes moléculas são formadas. Também estamos tentando entender por que podemos encontrar quantidades maiores de certas moléculas em determinadas regiões cósmicas versus outros tipos de moléculas.
TKF: O que você acabou de dizer me faz pensar em uma analogia: agora a astroquímica é menos para encontrar novas moléculas no espaço - como zoólogos que procuram novos animais na selva. O campo agora é mais sobre a "ecologia" de como esses animais moleculares interagem, e por que existem tantos de um certo tipo aqui no espaço, mas tão poucos lá, e assim por diante.
EVD: Essa é uma boa analogia! À medida que estamos começando a entender a física e a química de como as estrelas e os planetas se formam, uma parte significativa é descobrir por que algumas moléculas são abundantes em certas regiões interestelares, mas são "extintas", assim como os animais em outras regiões.
Se continuarmos sua metáfora, de fato há muitas interações interessantes entre moléculas que podem ser comparadas à ecologia animal. Por exemplo, a temperatura é um fator de controle no comportamento e nas interações das moléculas no espaço, que também afeta a atividade dos animais e onde eles vivem, e assim por diante.
TKF: Voltando à idéia dos blocos de construção, como funciona exatamente o processo de construção na astroquímica?
EVD: Um conceito importante na construção de moléculas no espaço é aquele que conhecemos da vida cotidiana aqui na Terra, chamado transições de fase. É quando um sólido derrete em um líquido, ou um líquido evapora em gás, e assim por diante.
Agora no espaço, cada molécula tem sua própria "linha de neve", que é a divisão entre uma fase gasosa e uma fase sólida. Por exemplo, a água tem uma linha de neve, de onde passa de gás em água para gelo em água. Devo salientar que formas líquidas de elementos e moléculas não podem existir no espaço porque há pouca pressão; a água pode ser líquida na Terra por causa da pressão da atmosfera do planeta.
De volta às linhas de neve, agora estamos descobrindo que elas desempenham um papel muito importante na formação do planeta, controlando grande parte da química. Um dos blocos de construção mais importantes da Lego, por assim dizer, que descobrimos é o monóxido de carbono. Estamos familiarizados com o monóxido de carbono na Terra porque é produzido em combustão, por exemplo. Meus colegas e eu demonstramos no laboratório de Leiden que o monóxido de carbono é o ponto de partida para produzir muitos orgânicos mais complexos no espaço. O congelamento de monóxido de carbono de um gás para uma fase sólida é um primeiro passo crucial para adicionar os blocos de construção de hidrogênio da Lego. Isso permite que você continue construindo moléculas cada vez maiores, como o formaldeído [CH2O], depois o metanol, para o glicolaldeído como discutimos, ou você pode até ir para moléculas mais complexas como o glicerol [C3H8O3].
Esse é apenas um exemplo, mas fornece uma noção de como um processo de construção se desenrola na astroquímica.
TKF: Você acabou de mencionar seu laboratório no Observatório de Leiden, o Laboratório Sackler de Astrofísica, que eu entendo tem uma distinção como o primeiro laboratório de astrofísica. Como isso aconteceu e o que você conseguiu lá?
EVD: Está certo. Mayo Greenberg, um astroquímico pioneiro, iniciou o laboratório na década de 1970 e foi realmente o primeiro de seu tipo para a astrofísica no mundo. Ele se aposentou e então eu mantive o laboratório funcionando. Acabei me tornando diretor deste laboratório no início dos anos 90 e assim permaneci até por volta de 2004, quando um colega assumiu a liderança. Ainda colaboro e faço experimentos lá.
O que conseguimos alcançar no laboratório são as condições extremas do espaço: sua frieza e sua radiação. Podemos reproduzir as temperaturas no espaço abaixo de 10 kelvin [menos 442 graus Fahrenheit; menos 260 graus Celsius], que é um pouquinho acima do zero absoluto. Também podemos recriar a intensa radiação ultravioleta na luz das estrelas à qual as moléculas estão sujeitas em regiões de nova formação estelar. [Star Quiz: Teste seus conhecimentos estelares]
Onde falhamos, no entanto, é reproduzir o vazio do espaço, o vácuo. Consideramos que um vácuo ultra-alto no laboratório tenha da ordem de 108 a 1010 [cem milhões a dez bilhões] de partículas por centímetro cúbico. O que os astrônomos chamam de nuvem densa, onde ocorre a formação de estrelas e planetas, tem apenas cerca de 104, ou cerca de 10.000 partículas por centímetro cúbico. Isso significa que uma nuvem densa no espaço ainda é um milhão de vezes mais vazia do que a melhor que podemos fazer no laboratório!
Mas isso finalmente funciona para nossa vantagem. No extremo vácuo do espaço, a química que estamos interessados em entender se move muito, muito lentamente. Isso simplesmente não funciona no laboratório, onde não podemos esperar 10.000 ou 100.000 anos para que as moléculas colidam umas com as outras e interajam. Em vez disso, precisamos ser capazes de fazer a reação em um dia para aprender qualquer coisa nas escalas de tempo de uma carreira em ciências humanas. Assim, agilizamos tudo e podemos traduzir o que vemos no laboratório em escalas de tempo muito mais longas no espaço.
TKF: Além do trabalho de laboratório, ao longo de sua carreira, você usou uma série de telescópios para estudar moléculas no espaço. Quais instrumentos foram essenciais para sua pesquisa e por quê?
EVD: Novos instrumentos foram cruciais durante toda a minha carreira. A astronomia é realmente impulsionada por observações. Ter telescópios cada vez mais poderosos com novos comprimentos de onda de luz é como olhar para o universo com olhos diferentes.
Para dar um exemplo, no final dos anos 80, voltei à Holanda quando o país estava fortemente envolvido no Observatório Espacial Infravermelho, ou ISO, uma missão liderada pela Agência Espacial Européia [ESA]. Eu me senti muito feliz por alguém ter feito o trabalho duro por 20 anos para transformar esse telescópio em realidade e eu poderia usá-lo com alegria! A ISO foi muito importante porque abriu o espectro infravermelho, onde poderíamos ver todas essas assinaturas espectrais, como impressões digitais químicas, de gelados, incluindo água, que desempenham papéis importantes na formação de estrelas e planetas e no caso da água, é obviamente fundamental para a vida. Foi um ótimo momento.
A próxima missão muito significativa foi o Observatório Espacial Herschel, com o qual pessoalmente me envolvi como estudante de pós-graduação em 1982. Do lado da química, ficou claro que Herschel era uma missão primordial para moléculas interestelares e, em particular, para "seguir o trilha de água ". Mas primeiro, precisávamos apresentar o caso científico à ESA. Fui para os EUA por vários anos e entrei em discussões semelhantes lá, onde ajudei a defender a ciência de Herschel junto às agências de financiamento dos EUA. Foi tudo um grande empurrão até que a missão foi finalmente aprovada no final dos anos 90. Ainda demorou 10 anos para construir e lançar, mas finalmente obtivemos nossos primeiros dados no final de 2009. Então, de 1982 a 2009 - esse foi um longo prazo! [Fotos: Imagens infravermelhas surpreendentes do Observatório Espacial Herschel]
TKF: Quando e onde seus amores pelo espaço e pela química se enraizaram?
EVD: Meu principal amor sempre foi pelas moléculas. Isso começou no ensino médio com um professor de química muito bom. Depende muito de bons professores, e não acho que as pessoas sempre percebam o quanto isso é importante. Eu só percebi quando cheguei na faculdade que a física era tão divertida quanto a química.
TKF: Que caminho acadêmico você tomou para se tornar um astroquímico?
EVD: Na Universidade de Leiden, fiz meu mestrado em química e estava convencido de que queria continuar com a química quântica teórica. Mas o professor naquele campo em Leiden havia morrido. Então comecei a procurar outras opções. Eu realmente não sabia muito sobre astronomia naquela época. Foi meu então namorado e atual marido, Tim, que acabara de ouvir um conjunto de palestras no meio interestelar, e Tim me disse: "Sabe, também existem moléculas no espaço!" [Riso]
Comecei a estudar a possibilidade de fazer uma tese sobre moléculas no espaço. Eu fui de um professor para o outro. Um colega em Amsterdã me disse que, para realmente entrar no campo da astroquímica, eu tive que ir a Harvard para trabalhar com o professor Alexander Dalgarno. Por acaso, no verão de 1979, Tim e eu estávamos viajando no Canadá para participar de uma Assembléia Geral da União Astronômica Internacional em Montreal. Descobrimos que as reuniões via satélite estavam sendo realizadas antes da Assembléia Geral e uma delas estava acontecendo naquele parque específico em que Tim e eu estávamos acampando. A ideia que tivemos foi: "Bem, talvez devêssemos aproveitar esta oportunidade e ir ver esse professor Dalgarno já!"
É claro que tínhamos todo esse equipamento e roupas de acampamento, mas eu tinha uma saia limpa comigo. Tim me levou para a reunião via satélite, encontramos meu colega de Amsterdã e ele disse: "Oh, bom, eu vou apresentá-lo ao professor Dalgarno". O professor me levou para o lado de fora, conversamos por cinco minutos, ele me perguntou o que eu havia feito, qual era minha habilidade em astroquímica e então disse: "Parece interessante; por que você não vem trabalhar para mim?" Esse foi obviamente um momento crucial.
Foi assim que tudo começou. Eu nunca me arrependi de um momento desde então.
TKF: Houve outros momentos cruciais, talvez no início de sua infância, que o colocaram no caminho de ser um cientista?
EVD: Na verdade sim. Eu tinha cerca de 13 anos e meu pai havia acabado de arranjar um sábado em San Diego, Califórnia. Saí da minha escola na Holanda, onde tínhamos recebido principalmente aulas de latim e grego e, é claro, de matemática. Mas ainda não tínhamos nada em termos de química ou física, e a biologia não começou até pelo menos um ou dois anos depois.
Na escola secundária de San Diego, decidi estudar tópicos muito diferentes. Peguei espanhol, por exemplo. Havia também a possibilidade de fazer ciência. Eu tinha uma professora muito boa, que era uma mulher afro-americana, que na época, em 1968, era bastante incomum. Ela era muito inspiradora. Ela fez experimentos, perguntas e realmente conseguiu me atrair para a ciência.
TKF: Agora, olhando para a promessa do Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), que foi inaugurado há vários anos e está entre os projetos de astronomia terrestre mais ambiciosos e caros já implementados. O astrofísico Reinhard Genzel credita você por ajudar a forjar o consenso internacional por trás deste observatório. Como você defendeu o ALMA?
EVD: ALMA tem sido um sucesso incrível como o observatório de estréia nesta faixa especial de milímetro e submilímetro, que é uma janela importante para a observação de moléculas no espaço. Hoje, o ALMA consiste em 66 radiotelescópios com configurações de 7 e 12 metros que se estendem por uma planície de alta altitude no Chile. Era um caminho muito longo para chegar onde estamos agora!
O ALMA é o resultado dos sonhos de muitos milhares de pessoas. Eu era um dos dois membros do lado europeu no Comitê Consultivo Científico dos EUA para o ALMA. Eu conhecia bem a comunidade científica norte-americana desde meus seis anos trabalhando nos EUA. Os dois lados, assim como o Japão, tinham conceitos muito diferentes para o ALMA. Os europeus estavam pensando em um telescópio que poderia ser usado para a química profunda do universo muito cedo, enquanto os norte-americanos pensavam muito mais em imagens de alta resolução e em larga escala; um grupo estava falando sobre a construção de telescópios de oito metros, o outro sobre telescópios de 15 metros. [Conheça o ALMA: fotos incríveis do telescópio de rádio gigante]
Então eu fui uma das pessoas que ajudou a reunir esses dois argumentos. Eu disse: "Se você construir uma matriz muito maior, todos nós venceremos". O plano passou a reunir um número maior de telescópios em uma única matriz, em vez de matrizes separadas, que não são tão poderosas. E foi o que aconteceu. Damos o tom de trabalhar juntos nesse projeto fantástico, em vez de sermos concorrentes.
TKF: Que novas fronteiras o ALMA está abrindo na astroquímica?
EVD: O grande salto que estamos dando ao ALMA está na resolução espacial. Imagine olhar para uma cidade de cima. As primeiras imagens do Google Earth eram muito ruins - você mal conseguia ver nada; uma cidade era uma grande bolha. Desde então, as imagens foram ficando cada vez mais nítidas, pois a resolução espacial melhorou com os satélites a bordo das câmeras. Hoje em dia você pode ver os canais [nas cidades holandesas], as ruas e até casas individuais. Você pode realmente ver como toda a cidade é montada.
O mesmo está acontecendo agora com os locais de nascimento dos planetas, que são esses pequenos discos em torno de estrelas jovens. Esses discos são cem a mil vezes menores do que as nuvens que vimos anteriormente onde as estrelas nascem. Com o ALMA, estamos ampliando as regiões onde novas estrelas e planetas estão se formando. Essas são realmente as escalas relevantes para entender como esses processos funcionam. E o ALMA, exclusivamente, possui recursos espectroscópicos para detectar e estudar uma ampla gama de moléculas envolvidas nesses processos. O ALMA é um passo fantástico em relação a tudo o que tivemos antes.
TKF: Os novos telescópios que você utilizou ao longo de sua carreira se mostraram extraordinários. Ao mesmo tempo, ainda estamos limitados ao que podemos ver no cosmos. Quando você pensa em futuras gerações de telescópios, o que mais espera ver?
EVD: O próximo passo em nossa pesquisa é o Telescópio Espacial James Webb [JWST], que será lançado em 2021. Com o JWST, estou realmente ansioso para ver moléculas e água orgânicas em escalas ainda menores e em diferentes partes do planeta. formando zonas, o que é possível com o ALMA.
Mas o ALMA será essencial para nossa pesquisa por muito tempo - outros 30 a 50 anos. Ainda há muito que precisamos descobrir com o ALMA. No entanto, o ALMA não pode nos ajudar a estudar a parte mais interna de um disco formador de planeta, na escala de onde nossa Terra se formou, a uma curta distância do sol. O gás no disco é muito mais quente lá, e a luz infravermelha que ele emite pode ser capturada por um instrumento que meus colegas e eu ajudamos a implementar no JWST.
O JWST é a missão final em que trabalhei. Novamente, foi por acaso que me envolvi, mas estava em uma boa posição com meus parceiros e colegas americanos para ajudar. Vários de nós, da Europa e dos EUA, nos reunimos e disseram: "Ei, queremos que esse instrumento aconteça e podemos fazê-lo em uma parceria 50/50".
TKF: Dado o seu trabalho sobre os componentes que compõem estrelas e planetas, o cosmos parece favorável ou até propício à vida?
EVD: Eu sempre digo que forneço os blocos de construção, e então depende da biologia e da química contar o resto da história! [Risos] Por fim, importa de que tipo de vida estamos falando. Estamos falando da vida unicelular mais primitiva que sabemos que surgiu rapidamente na Terra? Dados todos os ingredientes que temos disponíveis, não há razão para que isso não ocorra em nenhum dos bilhões de exoplanetas que agora sabemos que estão orbitando bilhões de outras estrelas.
Indo para os próximos passos da vida multicelular e, em última análise, inteligente, entendemos muito pouco ainda como isso emerge da vida mais simples. Mas acho seguro dizer que, dado o nível de complexidade, é menos provável que isso ocorra com a mesma frequência que, digamos, micróbios. [10 exoplanetas que poderiam hospedar vida alienígena]
TKF: Como o campo da astroquímica nos ajudará a responder à questão de saber se existe vida alienígena no universo?
EVD: Estudar a química das atmosferas de exoplanetas é o que nos ajudará a responder a essa pergunta. Encontraremos muitos exoplanetas potencialmente parecidos com a Terra. O próximo passo será procurar impressões digitais espectrais, que mencionei anteriormente, nas atmosferas dos planetas. Nessas impressões digitais, procuraremos especificamente "biomoléculas" ou combinações de moléculas que possam indicar a presença de alguma forma de vida. Isso significa não apenas água, mas oxigênio, ozônio, metano e muito mais.
Nossos telescópios atuais mal conseguem detectar essas impressões digitais na atmosfera dos exoplanetas. É por isso que estamos construindo a próxima geração de telescópios gigantes terrestres, como o Telescópio Extremamente Grande, que terá um espelho que é cerca de três vezes maior do que qualquer outra coisa hoje em dia. Estou envolvido na defesa da ciência para esse e outros novos instrumentos, e as bioassinaturas são realmente um dos principais objetivos. Essa é a direção emocionante para onde a astroquímica irá.
