Siarka zaginęła we Wszechświecie. I po latach się odnalazła

Wygląda to tak, jakby zaraz po utworzeniu się obłoków gwiazdotwórczych, cała siarka gdzieś wyparowała. Albo wręcz przeciwnie: zamarzła. Naturalnym miejscem, gdzie mogłaby się schować, są bowiem ziarna pyłu, gdzie molekuły takie jak woda czy dwutlenek węgla tworzą lodową otoczkę. Wszelkie pomysły naukowców na składniki lodu zawierające siarkę okazywały się jednak dotychczas nietrafione.

Kluczowy pomysł na składnik chemiczny, który mógłby skrywać siarkę, wziął się dosłownie z kosmosu. Sonda Rosetta, która badała w latach 2014–2016 kometę 67P wykryła tam znaczące ilości wodorosiarczku amonu (NH₄SH). Należy on do grupy związków chemicznych znanych jako sole. Wystarczy zatem tylko dowiedzieć się, w jaki sposób powstaje ten związek w kosmosie i (w uproszczeniu), jakiego jest koloru. To pozwoli ustalić jego „odcisk palaca” i zidentyfikować go w obłokach gwiazdotwórczych. Proste, prawda? No cóż, niekoniecznie. Trzeba do tego odtworzyć na Ziemi warunki kosmiczne: temperaturę na poziomie –250 st. Celsjusza i gęstość kilku milionów cząsteczek na mililitr (dla porównania w jednym mililitrze powietrza jest ich trylion razy więcej).

Za niepozornymi drzwiami na czwartym piętrze, które mijam codziennie w drodze do mojego biura w Obserwatorium w Lejdzie w Holandii, znajduje się właśnie taki mikrokosmos – laboratorium astrochemiczne. Tam przeprowadza się eksperymenty symulujące warunki panujące w otoczeniu powstających gwiazd. Jedną z pracownic tego laboratorium jest doktorantka Katerina Slavicinska, główna autorka nowej publikacji w „Astronomy & Astrophysics”, gdzie wraz ze współpracownikami (w tym z niżej podpisanym) donosi nie tylko o znalezieniu 20 proc. zaginionej siarki oraz o rozwikłaniu zagadkowych wyników z Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba. Ale po kolei.

Katerina łącząc ze sobą dwa niezbyt przyjemnie pachnące związki chemiczne – amoniak (NH3) i siarkowodór (H2S), wyprodukowała NH4SH w temperaturze 15 Kelvinów (–258 stopni Celsjusza). Ten kluczowy eksperyment pozwolił udowodnić, że oba te składniki w warunkach kosmicznego chłodu są w stanie stworzyć sól.

To już wystarczająco ciekawe odkrycie. Nie wyjaśnia jednak jeszcze, co ja robię w tym artykule, chociaż laborant ze mnie żaden. Otóż świetlna sygnatura NH4SH, jego odcisk palca, doskonale pasuje do obserwowanych Teleskopem Kosmicznym Jamesa Webba (JWST) powstających gwiazd. A to już zdecydowanie moja działka.

Gdy 8 lat temu zaczynałem doktorat, moim pierwszym zadaniem było przyjrzenie się liście proponowanych do obserwacji protogwiazd. Szybko okazało się, że jest ona zdecydowanie za długa. Z moich wyliczeń wynikało, że czasu wystarczy nam na co najwyżej połowę. Zaczął się więc bolesny proces selekcji obiektów, a że każdy wydawał się równie ciekawy, kolejne nazwy skreślałem z grymasem na twarzy, wyobrażając sobie jakie przełomowe odkrycia nas omijają. Ostatecznie skończyliśmy na kilkunastu obiektach, zazwyczaj przeznaczając na ich obserwację zaledwie kilkanaście minut. W dwóch przypadkach zdecydowaliśmy się jednak zaryzykować i obserwowaliśmy dwie protogwiazdy, jedną w gwiazdozbiorze Byka a drugą w Perseuszu, przez odpowiednio 50 i 130 minut.

Dziś możemy już ze spokojem powiedzieć, że ryzyko się opłaciło. W jednym i drugim obiekcie udało się odnaleźć tę samą sygnaturę, którą Katerina zidentyfikowała w laboratorium jako NH4SH. Co więcej, dzięki skrupulatnej obróbce danych z JWST (to kolejne z moich zadań), mogliśmy dokładnie ustalić ilość tej siarkowej soli w kosmicznym lodzie. Z wyliczeń wynika, że sole związków siarkowych mogą odpowiadać za 20 proc. brakującej do tej pory siarki.

To odkrycie to zatem lekcja cierpliwości oraz wszechstronności, bo dopiero z połączenia laboratoryjnych wysiłków z rezultatami obserwacyjnymi przełomowe odkrycie było możliwe. A teraz do pracy – jest jeszcze 80 procent zaginionej siarki do znalezienia!