Artikkel

Kjemikere på stjernejakt

hvit dverg
En hvit dverg er en sol-liknende stjerne som er blitt gammel og er i ferd med å dø. I atmosfæren rundt slike stjerner oppheves den vanlige kjemien vi kjenner fra vår egen planet. Foto: NASA, ESA mfl,

Kjemikere på stjernejakt

Da forskerne ved Kjemisk institutt simulerte de ekstremt sterke magnetfeltene som finnes rundt hvite dvergstjerner, oppdaget de en ny type kjemisk binding som burde eksistere i teorien. Nå begynner jakten i verdensrommet, for å bekrefte at den nye kjemiske bindingen finnes i virkeligheten.

Det var ikke bare kvantekjemikere og astrofysikere som sperret øynene opp i 2012, da en oppdagelse i professor Trygve Helgakers forskergruppe ved Kjemisk institutt ble presentert i en vitenskapelig artikkel.

Det teoretiske funnet brøt nemlig med en av de grunnleggende teoriene som fortsatt blir undervist i kjemitimene på skoler over hele verden.

Trygve Helgaker, Thomas Bondo Pedersen og Michele Cascella
Trygve Helgaker, Thomas Bondo Pedersen og Michele Cascella er tilknyttet Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi (CTCC). Foto: Bjarne Røsjø/UiO

– Kjemilærerne har helt siden fagets barndom fortalt skoleelever og studenter at det finnes to typer sterke bindinger mellom atomene i kjemiske forbindelser, forklarer førsteamanuensis Thomas Bondo Pedersen ved Kjemisk Institutt og Senter for teoretisk og beregningsbasert kjemi (CTCC).

Les også: Vi er inne i en kjemisk revolusjon

– Vi snakker om de kovalente bindingene, som bygger på at molekyler blir stabile hvis hvert atom har et fullt sett av elektroner i det ytterste elektronskallet, og ionebindingene som dannes mellom atomer som har motsatt elektrisk ladning.

Funnet sprengte rammene

Da professor Trygve Helgaker i samarbeid med Erik Tellgren og Kai Lange ved UiO oppdaget en tredje type kjemisk binding, ved hjelp av teoretiske beregninger, gikk derfor nyheten verden rundt både i forskningstidsskrifter og dagsaviser.

Det britiske forskningsmagasinet New Scientist snakket med førsteforfatteren Kai Lange og skrev en artikkel om de norske forskerne som hadde «Oppdaget kjemisk binding som bare finnes i verdensrommet». Funnet sprengte nemlig rammene for den kjemien som hadde vært tillatt.

Den nye bindingstypen fikk navnet "paramagnetisk binding" og kan oppstå i de ekstremt sterke magnetfeltene som finnes rundt de stjernene som kalles hvite dverger.

Dette er stjerner som har liknet vår egen sol, men som er så gamle at de nærmer seg slutten på livet. De hvite dvergene består i hovedsak av kjernen i det som en gang var en sol.

– I atmosfæren rundt slike stjerner kan magnetfeltene bli rundt 1000 milliarder ganger sterkere enn magnetfeltet som omgir vår egen planet, og så sterke magnetfelt kan ikke gjenskapes i laboratoriet. Men det vi isteden kan gjøre, er å bruke datamaskiner og egenutviklet programvare til å simulere hva som skjer med atomer som utsettes for slike ekstreme magnetfelt. Det var det som ble gjort i 2012, forteller førsteamanuensis Michele Cascella.

Det som nå gjenstår, er å finne disse bindingene i virkeligheten.

– Jeg er blitt kontaktet av astrofysikere som ønsker å detektere molekyler på hvite dverger, for dermed å se om de også kan finne paramagnetisk bundne molekyler. Men vi må gjøre ytterligere beregninger før jakten kan begynne for alvor, tilføyer professor Trygve Helgaker.

Ekstreme magnetfelt

– Men hva er egentlig en paramagnetisk binding?

– Du husker kanskje fra kjemitimen at et hydrogenmolekyl består av to hydrogenatomer, som hver har ett elektron. I molekylet er de to atomene bundet sammen fordi de deler på de to elektronene, og da oppstår en stabil tilstand. Begge elektronene legger seg i det som kalles et bindende orbital med lavest mulig energitilstand, forklarer Bondo Pedersen.

Illustrasjonen viser en kovalent binding
To hydrogenatomer, som har ett elektron hver, danner et stabilt molekyl når de kommer sammen og deler på elektronene, slik som her. I 2012 fant forskerne ut at hydrogenatomene - under ekstreme forhold i verdensrommet - også kan dele elektronene med en paramagnetisk binding som er «forbudt» her på jorda. Grafikk: Wikimedia Commons.

Et orbital er betegnelsen på de områdene elektronene kan befinne seg i rundt et atom.

– Men hvis du tilfører ekstra energi, kan et av elektronene «løftes» til et såkalt anti-bindende orbital. Dette er ikke en stabil tilstand, og resultatet blir at hydrogenmolekylet under «normale» forhold går i oppløsning,

Men når molekyler blir utsatt for det ekstremt sterke magnetfeltet i atmosfæren til de hvite dvergene, gjelder ikke de vanlige spillereglene lenger.

– Da kan elektronene i både hydrogen- og helium-molekyler innta de «forbudte» posisjonene i energirike orbitaler, uten at molekylet blir ustabilt og faller fra hverandre. De anti-bindende orbitalene stabiliseres av det ekstreme magnetfeltet, tilføyer Cascella.

Leter etter spesielle kvantesprang

Det gjenstår å påvise at hydrogen- og heliumatomer med paramagnetisk binding finnes i virkeligheten. Det går jo ikke an å reise til en hvit dverg og ta prøver av atmosfæren – men det som isteden går an, er å lete etter «fingeravtrykkene» fra den nye typen molekyler.

– Astrofysikerne kan finne ut hva stjerner består av ved å studere lyset de sender ut. Du husker kanskje fra kjemitimen at elektroner som faller fra et energirikt orbital til et bindende orbital sender ut fotoner med en helt spesiell energi, som er lik det såkalte kvantespranget mellom de to orbitalene, forklarer Bondo Pedersen.

Lys består av fotoner, og dette betyr at alle molekyler sender ut lys med en helt spesiell sammensetning av bølgelengder.

– Vi kan derfor studere spekteret i lyset fra stjerner og lete etter de karakteristiske linjene som oppstår når elektronene i spesifikke molekyler faller fra energirike orbitaler til bindende orbitaler.

Kjemikerne er i stand til å beregne hvilke spektrallinjer ulike molekyler kan sende ut. Dermed kan de også identifisere ulike molekyler i verdensrommet ved å sammenligne observerte linjer i lyset de sender ut, med beregnede linjer.

– Vi har derfor satt i gang et meget omfattende beregningsarbeid, der spektrallinjene til hydrogenmolekyler med paramagnetisk binding beregnes for ulike feltstyrker og ulike orienteringer av molekylet i feltet. Når disse beregningene er sluttført med tilfredsstillende nøyaktighet, kan jakten på molekylene i magnetiske hvite dvergers atmosfære begynne, forteller Trygve Helgaker.

Helgaker og kollegene ved UiO samarbeider nå med professor Jeremy S. Heyl ved University of British Columbia i Canada, som disponerer store teleskoper som kan brukes til å jakte på fingeravtrykkene etter de molekylene som er blitt påvist i teorien. I mellomtiden er det bare å skrive om lærebøkene i kjemi.

Les mer:

Vi er inne i en kjemisk revolusjon

Supernovaen som ble forutsagt

Universets mørke sider

Kai K. Lange, E. I. Tellgren, M. R. Hoffmann, T. Helgaker: A Paramagnetic Bonding Mechanism for Diatomics in Strong Magnetic Fields. Science, 20. juli 2012.

Chemical bond discovered that only exists in space. New Scientist, 19. juli 2012.

Kontakt:

Førsteamanuensis Thomas Bondo Pedersen, Kjemisk institutt

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også