The Universe’s First Type of Molecule Is Found at Last
Image of planetary nebula NGC 7027 with illustration of helium hydride molecules. In this planetary nebula, SOFIA detected helium hydride, a combination of helium (red) and hydrogen (blue), which was the first type of molecule to ever form in the early universe. This is the first time helium hydride has been found in the modern universe.
Credits: NASA/ESA/Hubble Processing: Judy Schmidt
The first type of molecule that ever formed in the universe has been detected in space for the first time, after decades of searching. Scientists discovered its signature in our own galaxy using the world’s largest airborne observatory, NASA’s Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, or SOFIA, as the aircraft flew high above the Earth’s surface and pointed its sensitive instruments out into the cosmos.
When the universe was still very young, only a few kinds of atoms existed. Scientists believe that around 100,000 years after the big bang, helium and hydrogen combined to make a molecule called helium hydride for the first time. Helium hydride should be present in some parts of the modern universe, but it has never been detected in space — until now.
SOFIA found modern helium hydride in a planetary nebula, a remnant of what was once a Sun-like star. Located 3,000 light-years away near the constellation Cygnus, this planetary nebula, called NGC 7027, has conditions that allow this mystery molecule to form. The discovery serves as proof that helium hydride can, in fact, exist in space. This confirms a key part of our basic understanding of the chemistry of the early universe and how it evolved over billions of years into the complex chemistry of today. The results are published in this week’s issue of Nature.
“This molecule was lurking out there, but we needed the right instruments making observations in the right position — and SOFIA was able to do that perfectly,” said Harold Yorke, director of the SOFIA Science Center, in California’s Silicon Valley.
Today, the universe is filled with large, complex structures such as planets, stars and galaxies. But more than 13 billion years ago, following the big bang, the early universe was hot, and all that existed were a few types of atoms, mostly helium and hydrogen. As atoms combined to form the first molecules, the universe was finally able to cool and began to take shape. Scientists have inferred that helium hydride was this first, primordial molecule.
Once cooling began, hydrogen atoms could interact with helium hydride, leading to the creation of molecular hydrogen — the molecule primarily responsible for the formation of the first stars. Stars went on to forge all the elements that make up our rich, chemical cosmos of today. The problem, though, is that scientists could not find helium hydride in space. This first step in the birth of chemistry was unproven, until now.
“The lack of evidence of the very existence of helium hydride in interstellar space was a dilemma for astronomy for decades,” said Rolf Guesten of the Max Planck Institute for Radio Astronomy, in Bonn, Germany, and lead author of the paper.
Helium hydride is a finicky molecule. Helium itself is a noble gas making it very unlikely to combine with any other kind of atom. But in 1925, scientists were able to create the molecule in a laboratory by coaxing the helium to share one of its electrons with a hydrogen ion.
Then, in the late 1970s, scientists studying the planetary nebula called NGC 7027 thought that this environment might be just right to form helium hydride. Ultraviolet radiation and heat from the aging star create conditions suitable for helium hydride to form. But their observations were inconclusive. Subsequent efforts hinted it could be there, but the mystery molecule continued to elude detection. The space telescopes used did not have the specific technology to pick out the signal of helium hydride from the medley of other molecules in the nebula.
In 2016, scientists turned to SOFIA for help. Flying up to 45,000 feet, SOFIA makes observations above the interfering layers of Earth’s atmosphere. But it has a benefit space telescopes don't— it returns after every flight.
“We’re able to change instruments and install the latest technology,” said Naseem Rangwala SOFIA deputy project scientist. “This flexibility allows us to improve observations and respond to the most pressing questions that scientists want answered.”
A recent upgrade to one of SOFIA’s instruments called the German Receiver at Terahertz Frequencies, or GREAT, added the specific channel for helium hydride that previous telescopes did not have. The instrument works like a radio receiver. Scientists tune to the frequency of the molecule they’re searching for, similar to tuning an FM radio to the right station. When SOFIA took to the night skies, eager scientists were onboard reading the data from the instrument in real time. Helium hydride’s signal finally came through loud and clear.
“It was so exciting to be there, seeing helium hydride for the first time in the data,” said Guesten. “This brings a long search to a happy ending and eliminates doubts about our understanding of the underlying chemistry of the early universe.
Scientists on the airborne observatory SOFIA detected the first type of molecule that ever formed in the universe. They found the combination of helium and hydrogen, called helium hydride, in a planetary nebula near the constellation Cygnus. This discovery confirms a key part of our basic understanding of the early universe and how it evolved over billions of years into the complex chemistry of today.
Credits: NASA/Ames Research Center
SOFIA, the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, is a Boeing 747SP jetliner modified to carry a 106-inch diameter telescope. It is a joint project of NASA and the German Aerospace Center, DLR. NASA’s Ames Research Center in California’s Silicon Valley manages the SOFIA program, science and mission operations in cooperation with the Universities Space Research Association headquartered in Columbia, Maryland, and the German SOFIA Institute (DSI) at the University of Stuttgart. The aircraft is maintained and operated from NASA’s Armstrong Flight Research Center Building 703, in Palmdale, California.
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Nicholas Veronico
SOFIA Science Center
Ames Research Center, Silicon Valley, California
650-604-4589 / 650-224-8726
nicholas.a.veronico@nasa.gov
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Written by Kassandra Bell and Alison Hawkes
Last Updated: April 18, 2019
Editor: Kassandra Bell
Tradução
O primeiro tipo de molécula do universo é encontrado finalmente
Imagem da nebulosa planetária NGC 7027 com ilustração de moléculas de hidreto de hélio. Nesta nebulosa planetária, SOFIA detectou o hidreto de hélio, uma combinação de hélio (vermelho) e hidrogênio (azul), que foi o primeiro tipo de molécula a se formar no início do universo. Esta é a primeira vez que o hidreto de hélio foi encontrado no universo moderno.
Créditos: NASA / ESA / Hubble Processamento: Judy Schmidt
O primeiro tipo de molécula que se formou no universo foi detectado no espaço pela primeira vez, após décadas de busca. Os cientistas descobriram sua assinatura em nossa própria galáxia usando o maior observatório aéreo do mundo, o Observatório Estratosférico da NASA para a Astronomia Infravermelha, ou SOFIA, quando a aeronave voou bem acima da superfície da Terra e apontou seus instrumentos sensíveis para o cosmos.
Quando o universo ainda era muito jovem, apenas alguns tipos de átomos existiam. Os cientistas acreditam que cerca de 100 mil anos após o big bang, o hélio e o hidrogênio se combinaram para fazer uma molécula chamada hidreto de hélio pela primeira vez. Hidreto de hélio deve estar presente em algumas partes do universo moderno, mas nunca foi detectado no espaço - até agora.
SOFIA encontrou o hidreto de hélio moderno em uma nebulosa planetária, remanescente do que já foi uma estrela parecida com o Sol. Localizada a 3.000 anos-luz de distância, perto da constelação de Cygnus, essa nebulosa planetária, chamada NGC 7027, possui condições que permitem a formação dessa molécula misteriosa. A descoberta serve como prova de que o hidreto de hélio pode, de fato, existir no espaço. Isso confirma uma parte fundamental da nossa compreensão básica da química do universo primitivo e como ela evoluiu ao longo de bilhões de anos para a química complexa de hoje. Os resultados são publicados na edição desta semana da Nature.
"Esta molécula estava à espreita, mas precisávamos dos instrumentos certos para fazer as observações na posição certa - e a SOFIA conseguiu fazer isso com perfeição", disse Harold Yorke, diretor do Centro de Ciência SOFIA, no Vale do Silício, na Califórnia.
Hoje, o universo está cheio de estruturas grandes e complexas, como planetas, estrelas e galáxias. Mas mais de 13 bilhões de anos atrás, seguindo o big bang, o universo primordial era quente, e tudo o que existia eram alguns tipos de átomos, principalmente hélio e hidrogênio. Como os átomos se combinaram para formar as primeiras moléculas, o universo foi finalmente capaz de esfriar e começou a tomar forma. Os cientistas inferiram que o hidreto de hélio era essa primeira molécula primordial.
Uma vez que o resfriamento começou, os átomos de hidrogênio poderiam interagir com o hidreto de hélio, levando à criação de hidrogênio molecular - a molécula responsável principalmente pela formação das primeiras estrelas. As estrelas passaram a forjar todos os elementos que compõem o nosso rico e químico cosmo de hoje. O problema, porém, é que os cientistas não encontraram o hidreto de hélio no espaço. Este primeiro passo no nascimento da química não foi provado até agora.
"A falta de evidência da própria existência do hidreto de hélio no espaço interestelar foi um dilema para a astronomia por décadas", disse Rolf Guesten, do Instituto Max Planck de Radioastronomia, em Bonn, na Alemanha, e principal autor do estudo.
Hidreto de hélio é uma molécula mimada. O hélio em si é um gás nobre que dificilmente combina com qualquer outro tipo de átomo. Mas em 1925, os cientistas conseguiram criar a molécula em laboratório, persuadindo o hélio a compartilhar um de seus elétrons com um íon de hidrogênio.
Então, no final dos anos 1970, os cientistas que estudavam a nebulosa planetária chamada NGC 7027 pensavam que esse ambiente poderia ser o ideal para formar o hidreto de hélio. A radiação ultravioleta e o calor da estrela envelhecida criam condições adequadas para a formação de hidreto de hélio. Mas suas observações foram inconclusivas. Esforços subsequentes sugeriram que poderia estar lá, mas a molécula misteriosa continuou a evitar a detecção. Os telescópios espaciais usados não tinham a tecnologia específica para captar o sinal de hidreto de hélio da mistura de outras moléculas na nebulosa.
Em 2016, os cientistas recorreram à SOFIA para obter ajuda. Voando até 45.000 pés, SOFIA faz observações acima das camadas interferentes da atmosfera da Terra. Mas tem telescópios espaciais benéficos que não retornam depois de cada voo.
"Somos capazes de mudar instrumentos e instalar a mais recente tecnologia", disse o cientista do projeto Naseem Rangwala SOFIA. “Essa flexibilidade nos permite melhorar as observações e responder às questões mais urgentes que os cientistas querem que sejam respondidas”.
Um recente upgrade para um dos instrumentos da SOFIA, chamado de receptor alemão em Terahertz Frequencies, ou GREAT, acrescentou o canal específico para hidreto de hélio que os telescópios anteriores não tinham. O instrumento funciona como um receptor de rádio. Os cientistas sintonizam a frequência da molécula que procuram, semelhante a sintonizar um rádio FM à estação certa. Quando SOFIA subiu ao céu noturno, cientistas ansiosos estavam a bordo lendo os dados do instrumento em tempo real. O sinal do hidreto de hélio finalmente chegou alto e claro.
"Foi muito emocionante estar lá, vendo o hidreto de hélio pela primeira vez nos dados", disse Guesten. “Isso traz uma longa busca para um final feliz e elimina dúvidas sobre nossa compreensão da química subjacente do universo primordial.
Cientistas do observatório aerotransportado SOFIA detectaram o primeiro tipo de molécula que se formou no universo. Eles encontraram a combinação de hélio e hidrogênio, chamada hidreto de hélio, em uma nebulosa planetária perto da constelação de Cygnus. Esta descoberta confirma uma parte fundamental da nossa compreensão básica do universo primitivo e como ele evoluiu ao longo de bilhões de anos para a química complexa de hoje.
Créditos: NASA / Ames Research Center
SOFIA, o Observatório Estratosférico de Astronomia Infravermelha, é um jato Boeing 747SP modificado para transportar um telescópio de 106 polegadas de diâmetro. É um projeto conjunto da NASA e do Centro Aeroespacial Alemão, DLR. O Ames Research Center da NASA, no Vale do Silício, na Califórnia, gerencia o programa SOFIA, ciência e operações missionárias em cooperação com a Associação Universitária de Pesquisa Espacial, com sede em Columbia, Maryland, e o Instituto Alemão SOFIA (DSI) da Universidade de Stuttgart. A aeronave é mantida e operada a partir do Edifício 703 da NASA, o Armstrong Flight Research Center, em Palmdale, Califórnia.
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nicholas.a.veronico@nasa.gov
Escrito por Kassandra Bell e Alison Hawkes
Última atualização: 18 de abril de 2019
Editor: Kassandra Bell
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