Videnskabet: Kosmisk støv livets kilde

En af de fundamentale antagelser Einstein gjorde i forbindelse med sin teori var at lysets hastighed er den højest opnåelige hastighed i universet – intet kan bevæge sig hurtigere end lyset.

En konsekvens af det er at når vi ser ud i rummet og betragter stjerner og galakser der ligger langt væk, så ser vi dem ikke som de ser ud i dag, men som de så ud dengang lyset fra dem blev udsendt.

Hvis Solen slukkedes nu, ville det tage otte minutter før vi opdagede det. På den yderste planet i vores Solsystem, Pluto, ville der gå seks timer før Solens sidste stråle ville passere forbi.

Når man står ude en mørk aften og ser op mod Mælkevejen der strækker sig som et lysende bånd henover himlen, ser vi stjerner der befinder sig i vores egen galakse.

En galakse består af milliarder af stjerner der ligger sammen i rummet. På den sydlige halvkugle ser man ind mod midten af Mælkevejen mens vi her på den nordlige halvkugle må nøjes med at se ud mod Mælkevejens yderkant.

Ind til centrum af Mælkevejen er der omkring 25.000 lysår, det vil sige at de stjerner der befinder sig i Mælkevejens centrum, udsendte det lys vi ser nu dengang Homo Sapiens indvandrede til Europa for 25.000 år siden. Vi ser derfor tilbage i tiden når vi ser ud i universet.

I teorien kan vi gøre os forhåbninger om at kunne se næsten helt tilbage til universets dannelse. Vi har allerede set tilbage til dengang de stoffer Jorden er skabt af, blev dannet. På den måde minder jeg som astronom med en stor kikkert meget om en arkæolog med sin graveske.

To grundstoffer startede det hele
Siden Big Bang satte det hele i gang for 13,7 milliarder år siden, har universet være i konstant forandring. Kort efter Big Bang blev de to letteste grundstoffer, brint og helium, dannet.

Der var ikke nogen af de andre 105 grundstoffer som findes i dag. Der var ikke mulighed for tilstedeværelsen af levende organismer som dem vi i dag finder på Jorden, for der var ingen kulatomer at bygge dem af.

Med blot de to gasarter brint og helium er mulighederne for hvad der kan dannes, ganske begrænsede. Men heldigvis kan stjerner dannes af de to gasarter. Det er inde i stjernerne at resten af de grundstoffer vi finder på Jorden i dag, er blevet skabt.

Det har taget adskillige generationer af stjerner at danne tilstrækkeligt af de nødvendige grundstoffer der skulle til for at skabe Jorden og de andre planeter i Solsystemet.

Grundstofferne bliver hele tiden dannet inde i stjernerne og spredt ud i rummet ved stjernernes død. Universet er på den måde i et kredsløb hvor der hele tiden dannes flere og flere af de forskellige grundstoffer.

Det rejser uvilkårlig det store spørgsmål: Hvor lang tid efter Big Bang skulle der gå før der var tilstrækkeligt af nødvendige grundstoffer til at en planet som Jorden og liv blev muligt?

Tog den proces netop de otte milliarder år der gik fra Big Bang og til Solsystemet blev dannet? Eller kunne det være sket tidligere? Hvis betingelserne ikke har været til stede tidligere, så er vi blandt de første generationer af levende væsener i universet.

Den kombination af grundstoffer vi finder på Jorden i dag, er dannet på basis af de grundstoffer som mange generationer af forskellige stjerner tidligere i universets historie har skabt.

Det er en kontinuerlig proces hvilket betyder at muligheden for at danne planeter og liv stiger som tiden går. Der kommer hele tiden flere og flere af de nødvendige byggesten. Processen er ikke videre effektiv.

Således er blot en procent af den oprindelige brint efter Big Bang blevet omdannet til tungere grundstoffer. Jorden er egentlig ikke særlig repræsentativ for universets sammensætning.

Universet består primært af brint og helium hvilket er næsten fraværende på Jorden. Brinten på Jorden er primært bundet i vandmolekylerne, og helium er der stort set ikke noget af – ud over den smule der bruges i ballonerne i Tivoli.

Født i en sky af gas
Det jeg arbejder med i mit daglige virke er stjernestøv. Modsat hvad mange erfarer med støv hjemme i boligen, er støv i universet en sjældenhed. Ikke desto mindre har det støv der er i universet, en helt afgørende betydning for at vi er her i festsalen i dag.

Uden tilstedeværelsen af støv i den gassky som Solen blev dannet af, ville hverken Solen, Jorden eller liv på Jorden være blevet til.

Støv i astronomisk sammenhæng dækker over små faste partikler (mineraler) – størrelsesmæssigt er de som røgpartikler på Jorden. Der er en glidende overgang fra hvornår noget kaldes et makromolekyle til hvornår det bliver opgraderet til at blive kaldt et støvkorn.

Typisk vil et støvkorn bestå af 1.000 atomer eller mere som befinder sig i en ordnet fase og derfor betragtes som et fast stof.

Hvis man betragter livet på Jorden meget generelt, så er det et fælles træk at alle levende organismer er dannet af lange komplekse kæder af kulatomer.

Nogle af de vigtige og fundamentale byggesten er aminosyrer. I rummet mellem stjernerne – i de smukke gasskyer – har man observeret tilstedeværelsen af aminosyrer, alkohol og sukker.

Det vil sige at livets byggesten findes svævende i rummet. Der er – så at sige – alle de nødvendige legoklodser til stede for at kunne opbygge liv. Disse komplekse molekyler som aminosyrer, alkohol og sukker er blevet dannet på overfladen af støvkorn.

At det lige netop foregår på støvkornenes overflade skyldes at afstandene i rummet mellem de enkelte atomer er så stor at sandsynligheden for at atomerne støder sammen og indgår en kemisk binding stort set er lig nul.

Men hvis et atom er løst bundet til overfladen af et støvkorn, så kan det sidde der i måneder eller år og vente på at et andet atom ender på støvkornets overflade. Atomerne har mulighed for at flytte rundt på overfladen af støvkornet til de mødes og så indgå i en kemisk reaktion.

I sådanne reaktioner er der ofte noget energi der skal afsættes eller tilføres, og det tager støvkornet sig af.

Støvkornene er dermed helt fundamentale for dannelsen af molekyler – både simple og komplekse og dermed helt essentielle for dannelsen af livets primitive byggesten.

Fra nullermand til planet
I rummet mellem stjernerne findes kæmpestore skyer af gas hvoraf nye stjerner og planeter dannes. Det sker når dele af skyen bliver så tæt at den begynder at falde sammen under sin egen masse.

Stjernen dannes i midten og planeterne i en skive af gas og støv uden om stjernen. I grove træk kan man sige at planetdannelse sker ved at støvkornene støder sammen og danner ‘nullermænd’ der støder sammen og danner små faste klumper, kaldet planetesimaler.

Når en planetesimal er et par kilometer i diameter, vil tyngdekraften trække yderligere materiale til. Planeten vil vokse så længe der er materiale i skiven omkring stjernen.

Når stjernen i midten af skiven begynder at lyse, vil det gas og støv som ikke har klumpet sig sammen i skiven, blive blæst væk. Dermed stopper planetdannelsen. Hele processen forløber på under 100.000 år, og der er mange detaljer som vi endnu ikke helt forstår.

Men en ting ligger rimelig fast. Hvis der ikke var noget støv til stede i den sky hvoraf vores Sol blev dannet ville der ikke kunne dannes planeter som Jorden. Støvkornene i skyen fungerer som ‘kim’ der sætter planetdannelse i gang. Så uden støv – ingen planeter.

I modsætning til hvad man umiddelbart skulle tro, er det meget få steder i universet der kan skabes støv. At få et støvkorn til at kondensere ud af en gas kræver dels at gassen er forholdsvis kold (under 1.500ºC), dels at molekylernes tæthed er så høj at de har en mulighed for at mødes.

De fleste steder i universet hvor der en høj tæthed, er temperaturen høj, og der hvor temperaturen er lav, er tætheden typisk meget lav.

Stjernens død skaber liv
Det er faktisk kun i forbindelse med en stjernes død at de rette forhold for støvdannelse skabes. Stjerner som Solen ender deres liv som røde kæmpestjerner.

I den tilstand vil Solen nå helt ud til Mars’ bane. Når det sker om fem-seks milliarder år, vil Jorden ende sine dage inde i Solen.

Når en stjerne der kun består af gas, bliver større, vil den samtidig blive koldere. I en kold gas kan der dannes molekyler. Under gunstige forhold vil molekylerne gå sammen og danne støvkorn.

Støvet dannes i stjernens yderste lag, for kun der er det koldt nok. Når støvet dannes, vil det blive blæst væk fra stjernen, og stjernen vil langsomt, men sikkert miste mere og mere af sin masse og ende som en smuk planetarisk tåge.

På den måde bliver nydannet støv blæst ud i rummet mellem stjernerne hvor det vil indgå i de store gasskyer hvorfra nye stjerner bliver dannet. Et gigantisk kosmisk kredsløb.

Stjerner der er mere end otte gange større end vores Sol, bliver ikke til planetariske tåger men derimod til supernovaer. En supernova er en stjerne der ender sine dage i en gigantisk eksplosion.

Eksplosionen udsender lige så meget lys som milliarder af sole tilsammen. Under eksplosionen dannes flertallet af de tunge grundstoffer som findes på Jorden i dag.

For eksempel er de guldatomer der indgik i Guldhornene dannet gennem seks-otte supernovaeksplosioner inden Solsystemet blev dannet.

Et år eller to efter en supernovaeksplosion er gassen fra den eksploderende stjerne kølet så meget ned at der er mulighed for at støv kan dannes i gassen.

Jeg håber at det nu er klart at det kun er i forbindelse med udviklingen af planetariske tåger og i resterne fra en supernova at forholdene er de rette til at støv kan dannes.

Men først når der er tilstrækkelige mængder af tungere grundstoffer som kul, ilt, silicium, magnesium, og jern, dannes støvet. Hvor mange af de enkelte grundstoffer der er til rådighed, afhænger af hvor mange og hvilke generationer af tidligere stjerner der har bidraget med materiale til den pågældende stjerne.

Generationer af stjerner
Universet bliver således hele tiden mere og mere beriget (man kunne også sige forurenet!) med tungere grundstoffer som tiden går.

Hver gang en stjerne dør, skabes nye grundstoffer der blæses ud i rummet.
Det spørgsmål der trænger sig på, er så: Hvor mange generationer af stjerner skal der til før der er dannet nok tunge grundstoffer til at de første støvkorn kan dannes?

Var det allerede muligt i supernovatågerne fra den første generation af stjerner, eller gik der mange stjernegenerationer – millioner eller milliarder af år – før at der var nok af de rette grundstoffer til at de første støvkorn kunne dannes?

Så længe vi ikke kan besvare det spørgsmål, kan vi heller ikke sige noget om hvornår de første planeter blev dannet.

Uden en planetoverflade er det svært at forestille sig at man kan have flydende vand hvilket formentlig er en forudsætning for liv.

Vores forståelse af hvordan og hvornår liv i universet har mulighed for at opstå, er derfor afhængig af det vi ved – og tror vi ved – om noget så banalt som hvordan bittesmå undselige støvkorn bliver dannet.

I løbet af de næste fem år hvor jeg er tilknyttet Dark Cosmology Center, vil jeg gøre mit for at opklare hvilke stjerner der er de største bidragsydere til mængden af kosmisk støv i universet.

En ting ligger helt fast: Vi er helt bogstaveligt skabt af stjernestøv, og det gentager sig igen og igen.

Anja C. Andersen er lektor ved Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kosmologi, Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.