— Jag har så länge jag kan minnas haft ett intresse kring hur universum fungerar. De ämnen som lockade mig mest var fysik, kemi och astronomi. När jag sedan skulle välja ämne att studera på universitet föll valet på astronomi. Jag läste Astronomiprogrammet på SU och tog masterexamen 2011. Därefter började jag leta efter olika forskarutbildningar inom astronomi och fysik och hamnade på Fysikum och avdelningen för Atomfysik.

Coronenmolekyler består av sju kolringar omgivna av väteatomer

Systemet vi har tittat på i den här studien är coronenmolekyler, eller rättare sagt positivt laddade coronenjoner. Coronen tillhör gruppen molekyler polycykliska aromatiska kolväten, ett namn som brukar förkortas PAH efter engelskans Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Samtliga PAH-molekyler består av ringar av kolatomer, i regel sex atomer per ring, som sitter ihop och bildar en platt struktur på samma sätt som hos ämnet grafen. Just coronen består av sju kolringar (total 24 kolatomer) omgivna av väteatomer som stabiliserar bindningarna längs molekylens kanter.

PAH-molekyler är mycket vanliga i rymden

De är så pass vanliga att man tror att uppemot 20 procent av alla kolatomer i universum finns just i PAH-molekyler. Anledningen till att de är så vanligt förekommande i rymden är att de är mycket stabila. Rymden är full av skadlig strålning i form av ultraviolett ljus från unga stjärnor och av partikelstrålning från t.ex. stjärnvindar eller supernovor som kan lätta bryta ner molekyler och större partiklar (som stoftkorn) som finns bland stjärnorna i galaxer som vår Vintergata. Därför kan endast de mest stabila molekylerna överleva i många rymdmiljöer.

PAH-molekyler bidrar till att stjärnor bildas ur stora gasmoln

En konsekvens av att PAH-molekyler är så stabila är att de är relativt oreaktiva, d.v.s. att de ogärna bildar kemiska föreningar med andra atomer eller molekyler som de stöter på. Men PAH-molekyler tros spela en viktig roll i olika kemiska processer som sker i rymden. De kan exempelvis bidra till omvandlingen av fria väteatomer (H) till vätemolekyler (H2). Det är ett viktigt steg i hur stjärnor bildas ur stora gasmoln. De kan dessutom bidra till bildandet av andra stora kolbaserade molekyler i rymden. Kol är ju trots allt grunden för all organisk kemi och det finns en del bevis för att aminosyror och andra komplexa organiska molekyler kan bildas i rymden och spridas till planeter genom kometnedslag.

Genom att slå bort enskilda kolatomer blir PAH-molekylerna reaktiva

I tidigare forskningsstudier har vi lyckats visa att vi kan kraftigt öka den kemiska reaktiviteten hos PAH-molekyler genom att slå bort enskilda kolatomer ur deras molekylära struktur. Sättet vi åstadkommer detta på är genom att bombardera molekylerna med atomer som har en hastighet kring 100 kilometer per sekund. Då kan en inkommande atom träffa en av atomerna i molekylen och slå ut den, lite som när två biljardbollar krockar. Kvar blir då ett defekt PAH-fragment. Dessa fragment är betydligt mer reaktiva än intakta PAH-molekyler och vi har tidigare sett att de gärna regerar med andra molekyler för att bilda betydligt större strukturer.

En fri molekyl kan vänta i åratal på en partikel den kan reagera med

Hastigheten på 100 km/s kan tyckas vara väldigt hög men är ungefär den hastighet man förväntar sig av stjärnvindar eller i tryckvågen efter en supernovaexplosion, som båda framförallt består av lätta atomer som väte eller helium. Det är därför högst troligt att processer där atomer slås ut ur PAH-molekyler (eller andra typer av molekyler) sker i de rymdmiljöer där dessa finns. Men en viktig fråga har alltid varit om de reaktiva PAH-fragment som bildas i de kollisioner som vi har studerat kan överleva länge nog för att bidra till olika kemiska reaktioner. Trots att rymden innehåller en rik flora med olika sorters atomer och molekyler så är tätheten väldigt låg. Därför kan en fri molekyl få vänta i åratal innan den stöter på en annan partikel som den eventuellt kan reagera med. De experiment som vi tidigare har använt för att studera dessa processer har däremot endast kunnat följa våra molekyler och fragment under tidsskalor på upp till cirka en mikrosekund (en miljontedels sekund).

DESIREE är en anläggning vid Fysikum som används för att lagra och studera joner

Experimenten har utförts i DESIREE på Fysikum

I våra nya experiment har vi använt oss av DESIREE som är en anläggning vid Fysikum på Stockholms universitet för att lagra och studera joner (laddade atomer eller molekyler). Kärnan av DESIREE är två lagringsringar som kan användas för att lagra joner över långa tider (upp till flera timmar). Vi kan åstadkomma detta genom att DESIREEs innanmäte hålls under en extremt lågt vakuumtryck och vid en låg temperatur på endast cirka 10 grader över den absoluta nollpunkten, cirka –260 °C. Den kalla och nästintill tomma miljön i DESIREE är viktig för att kunna lagra joner en längre tid eftersom dessa lätt förstörs av kollisioner med de få gasmolekyler som annars finns kvar i experimentet.

PAH-fragment kan överleva i rymdlika miljöer

I våra experiment har vi kolliderat coronenjoner med heliumatomer för att slå ut enstaka kolatomer ur jonerna. De fragment som återstår har vi sedan lagrat i DESIREE och studerat hur de stabiliseras som funktion av lagringstiden. De fragment som bildas när en kolatom slås ut ur en PAH-molekyl kan vara rätt så varma, såpass varma att de bryts ner och sönderfaller av värmeenergin. I våra mätningar såg vi att majoriteten av fragmenten var stabila och att endast en liten andel av fragmenten sönderföll på detta vis. Redan efter en hundradels sekund hade samtliga fragment i DESIREE stabiliserats och vid längre tider återstod endast fragment som var såpass kalla att de skulle kunna överleva för evigt om de inte stöter på andra molekyler eller värms upp på något annat sätt. Vi har alltså lyckats visa på ett tydligt sätt att reaktiva PAH-fragment kan överleva i rymdlika miljöer och att de därför kan bidra till olika kemiska processer som sker i rymden.

Kollisioner mellan atomer och PAH-molekyler

Under Michaels tid som doktorand studerade de just kollisioner mellan atomer och PAH-molekyler (bland mycket annat), ett ämne som har varit fokus för hans dåvarande handledare Henning Zettergren under en längre tid. Michael disputerade 2016 med en avhandling om hur kolbaserade molekyler reagerar när atomer slås bort i kollisioner.

Studie av ultrakalla heliumdroppar vid Innsbrucks universitet

Därefter fick han ett anslag från Vetenskapsrådet som internationell postdoktor och spenderade tre år vid Innsbrucks universitet. Där studerade Michael egenskaperna hos ultrakalla heliumdroppar och hur dessa kan användas för olika experiment med kalla kluster bestående av lösa sammansättningar av atomer eller molekyler.

Michael Gatchell, postdoktor, Fysikum

— Jag återvände till Fysikum för ett år sedan och fick då ett etableringsbidrag från Vetenskapsrådet. Mitt nuvarande projekt syftar till att utveckla nya tekniker med heliumdroppar för att studera hur bl.a. organiska molekyler kan bildas från enkla byggstenar i rymden.

Michael är också inblandad i arbetet med DESIREE där dessa nya resultat möjliggjordes. Det nya arbetet är en naturlig fortsättning från hans arbete som doktorand.

— Det har varit roligt att kunna nå dessa resultat efter tio års arbete. Utöver arbetet går det mesta av min tid åt till min familj, med min femåriga son och en till som är på ingång vilken dag som helst nu. Vandring och cykling är saker som vi tycker om att göra tillsammans och tiden vi spenderade i Innsbruck gav goda möjligheter till detta.

Mer information

Artikel publicerad i Nature Communications: Survival of polycyclic aromatic hydrocarbon knockout fragments in the interstellar medium
Mer om Michael Gatchell
Forskningsämnet Atomfysik