Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 20 – vyšlo 3. června, ročník 14 (2016) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

20/2016

Rosetta potvrdila stavební kameny života na kometě

Vítězslav Kříha

Sonda Evrovské kosmické agentury ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. RosettaRosetta – sonda ESA vypuštěná 2. března 2004, která byla jako první navedena na oběžnou dráhu kolem jádra komety (67P/Čurjumov–Gerasimenko dne 6. srpna 2014). Dále uskutečnila průlet kolem planetek 2867 Steins (5. září 2008) a 21 Lutetia (10. července 2010); řízené přistání na jádru komety (modul Philae, 12. listopadu 2014). Během cesty ke kometě se podílela na projektu Deep Impact při pozorování komety 9P/Tempel 1 a projektu New Horizons při pozorování Jupiteru a plazmového toru měsíce Io. Sonda spolu s kometou prošla perihéliem 13. srpna 2015. Mise byla několikrát prodloužena a definitivně byla ukončena dne 30. září 2016 řízeným pádem na povrch komety., která od srpna roku 2014 krouží kolem kometyKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu. 67P/Čurjumov-Gerasimenko, si jako jeden z cílů kladla zásadní otázku týkající se původu života na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.: Kde se na naší planetě v životodárné polévce, ve které se posléze utvářely první životní formy, vzaly základní stavební kameny života, aminokyselinyAminokyseliny – organické sloučeniny charakterizované přítomností karboxylové skupiny –COOH a aminoskupiny –NH₂. V biochemii jsou významné α-aminokyseliny, u kterých jsou obě funkční skupiny, karboxylová i aminoskupina, vázány ke stejnému uhlíku. V živých organismech se až na výjimky vyskytují převážně levotočivé aminokyseliny. Reakcí mezi karboxylovou skupinou a aminoskupinou dvou aminokyselin vzniká peptidová vazba. Aminokyseliny se pomocí peptidové vazby mohou řetězit do složitějších molekul, peptidů. Peptidy dělíme podle počtu aminokyselin na oligopeptidy, vzniklé zřetezením nejvýše deseti aminokyselin a polypeptidy tvořené větším počtem aminokyselin. Bílkoviny (proteiny), které jsou strukturním a funkčním základem živé hmoty, jsou polypeptidy s velkou molekulární hmotností. a nukleové kyseliny? Přestože různý poměr deuteria a lehkého vodíku na kometě a v zemských oceánech svědčí pro to, že vodu na Zemi nepřinesly komety podobné 67P, je zjištění, že nejjednodušší aminokyselina – glycinGlycin – nejjednodušší aminokyselina. Jako jediná z dvaceti tří aminokyselin tvořících bílkoviny může vznikat v bezvodém prostředí, a proto je po ní intenzivně pátráno jak v mezihvězdném prostoru, tak ve sluneční soustavě. Do detekce hmotnostním spektrometrem systému ROSINA na sondě ESA Rosetta, který přímo změřil výskyt glycinu při těsném průletu kolem komety 67P/Čurjumov-Gerasimenko a přitom důsledně prováděl kontrolní měření látek uvolňovaných ze samotné sondy, byla všechna oznámení výskytu glycinu mimo Zemi zatížena buď kontaminací ze Země, nebo metodickou chybou a posléze zpochybněna. – se vyskytuje v dobře vychlazené vzpomínce na vznik naší sluneční soustavy, jasnou stopou, že v pátrání po přípravě na explozi života na třetí planetě musíme jít i k samým počátkům formování našeho místa ve vesmíru.

Logo hmotnostního spektrometru ROSINA. Zdroj: Universität Bern.

Rosetta – sonda ESA vypuštěná 2. března 2004, která byla jako první navedena na oběžnou dráhu kolem jádra komety (67P/Čurjumov–Gerasimenko dne 6. srpna 2014). Dále uskutečnila průlet kolem planetek 2867 Steins (5. září 2008) a 21 Lutetia (10. července 2010); řízené přistání na jádru komety (modul Philae, 12. listopadu 2014). Během cesty ke kometě se podílela na projektu Deep Impact při pozorování komety 9P/Tempel 1 a projektu New Horizons při pozorování Jupiteru a plazmového toru měsíce Io. Sonda spolu s kometou prošla perihéliem 13. srpna 2015. Mise byla několikrát prodloužena a definitivně byla ukončena dne 30. září 2016 řízeným pádem na povrch komety. Aminokyseliny – organické sloučeniny charakterizované přítomností karboxylové skupiny –COOH a aminoskupiny –NH2. V biochemii jsou významné α-aminokyseliny, u kterých jsou obě funkční skupiny, karboxylová i aminoskupina, vázány ke stejnému uhlíku. V živých organismech se až na výjimky vyskytují převážně levotočivé aminokyseliny. Reakcí mezi karboxylovou skupinou a aminoskupinou dvou aminokyselin vzniká peptidová vazba. Aminokyseliny se pomocí peptidové vazby mohou řetězit do složitějších molekul, peptidů. Peptidy dělíme podle počtu aminokyselin na oligopeptidy, vzniklé zřetezením nejvýše deseti aminokyselin a polypeptidy tvořené větším počtem aminokyselin. Bílkoviny (proteiny), které jsou strukturním a funkčním základem živé hmoty, jsou polypeptidy s velkou molekulární hmotností. Glycin – nejjednodušší aminokyselina. Jako jediná z dvaceti tří aminokyselin tvořících bílkoviny může vznikat v bezvodém prostředí, a proto je po ní intenzivně pátráno jak v mezihvězdném prostoru, tak ve sluneční soustavě. Do detekce hmotnostním spektrometrem systému ROSINA na sondě ESA Rosetta, který přímo změřil výskyt glycinu při těsném průletu kolem komety 67P/Čurjumov-Gerasimenko a přitom důsledně prováděl kontrolní měření látek uvolňovaných ze samotné sondy, byla všechna oznámení výskytu glycinu mimo Zemi zatížena buď kontaminací ze Země, nebo metodickou chybou a posléze zpochybněna. Hmotnostní spektrometrie – diagnostická metoda zaměřená na stanovení složení plynné směsi. Hmotnostní spektrometrie určuje zastoupení molekul nebo jejich fragmentů ve směsi iontů podle parametru daného podílem molekulové hmotnosti a náboje iontu. Využívá skutečnosti, že zrychlení nabité částice je přímo úměrné náboji nabité částice a nepřímo úměrné hmotnosti. Fosfor – Phosphorus, nekovový chemický prvek, poměrně hojně se vyskytující v zemské kůře, který má zároveň důležitou roli i ve stavbě živých organizmů. Historicky byl fosfor poprvé izolován německým alchymistou Heningem Brandtem v roce 1669. Elementární fosfor se vyskytuje ve třech modifikacích – bílý, červený a černý fosfor. Dalton – Da, jednotka molekulární hmotnosti. Velikostí odpovídá atomové hmotnostní jednotce, atomic mass unit, u, rovné jedné dvanáctině hmotnosti volného izotopu 12C v základním stavu. U makromolekul, jako jsou například nukleové kyseliny či bílkoviny, se často používají násobné jednotky, kilodaltony kDa a megadaltony MDa.

ROSINA DFMS

Přístrojové vybavení sondy Rosetta by si jistě zasloužilo zvláštní pozornost, nicméně v tuto chvíli se věnujme jedinému přístroji, který je součástí systému ROSINA, hmotnostnímu spektrometru s dvojitým zaostřováním – ROSINA DFMS. V hmotnostním spektrometru s dvojitým zaostřováním jsou ionty vychylovány ve dvou sektorech, elektrostatickém a magnetickém. ROSINA DFMS vychází z geometrie spektrometru označované jako Nier-Johnsnova, při níž se v elektrostatickém sektoru svazek iontů ohýbá o 90° a v magnetickém o 60°.

Vstup spektrometru je při měření v „kometocentrické“ soustavě orientován k nadiruNadir (podnožník) – opak zenitu, bod přímo pod námi. , takže neutrální částice putující do volného prostoru od jádra komety mohou volně vstupovat do ionizační komory. Elektrostatické pole na vstupu spektrometru zabraňuje iontům vstoupit do spektrometru. Důvod k pomyslné ceduli „Iontům vstup zakázán!“ je jednak ryze vědecký – ionizovanou a neutrální složku je třeba posuzovat zvlášť, jednak technický – nabité částice v ionizační komoře by díky lokálním polím nedefinovaným způsobem ovlivňovaly tvorbu iontů z neutrálních molekul.

ROSINA DFMS umožňuje sbírat data ze širokého i úzkého zorného pole, vstupy do ionizační komory jsou vůči sobě pod úhlem 90 stupňů, zorný úhel v rozmezí ±20° nebo ±2° lze vybrat nastavením příslušného vstupního otvoru vůči jádru 67P. Většina měření se provádí v širokém zorném poli, kdy je směr sběru částic rovnoběžný s osou kamer. Úzké zorné pole je určeno ke stanovení složení výtrysků z komety. Ionizační komora je chráněna víčkem, které se může otevírat a uzavírat, případně být umístěno do střední polohy mezi těmito stavy. To jednak umožňuje chránit spektrometr před kontaminací v oblastech s vysokým tlakem v blízkosti komety, jednat víčko plní funkci závěrky, která může být částečně uzavřena a omezovat přítok iontů a neutrálních částic ke zdroji.

Vybavení sondy Rosetta. Vstup hmotnostního spektrometru ROSINA DFMS je vidět v pravém zadním rohu horní stěny. Před vstupem spektrometru je patrný výstupek části spektrometru, v němž jsou umístěny detektory. Na obrázku je zachycen stav, kdy je vstup spektrometru chráněn zevním pláštěm, pod kterým se udržovalo vysoké vakuum s cílem snížit riziko kontaminace pozemskými molekulami. Zdroj ESA.

V ionizační komoře jsou ze žhaveného vlákna emitovány elektrony. Nastavení proudu vláknem na 2, 20 či 200 µA se určuje citlivost spektrometru, vyšší proudy sice termoemisí produkují více elektronů, ale také více zatěžují vlákno. Žhavené vlákno je jako kritický prvek zdvojeno a záložní vlákno není v případě funkčnosti pracovního vlákna zapojeno. Po urychlení potenciálovým rozdílem 45 V mají elektrony dostatečnou energii na ionizaci neutrálních molekul. Tato energie je pochopitelně dostatečná i na rozrušení chemických vazeb v molekule, takže při vyhodnocení musíme ve spektru počítat nejen s původní molekulou, ale i s jejími fragmenty. Energie elektronů je poloviční proti obvykle používané hodnotě 70 eV, důvodem je snaha o snížení fragmentů ve prospěch rodičovských molekul. Z ionizační komory jsou extrahovány ionty fixním potenciálovým rozdílem 1 000 V. Elektrony jsou pro zvýšení ionizace zakřivovány slabým magnetickým polem s indukcí 0,02 T. Spektrometr je vzhledem k vysokému rozlišení citlivý i ke svým vnitřním parametrům, mimo jiné teplotě magnetu, takže je pro správné vyhodnocení nutné provádět kalibraci definovaným plynem za podmínek, ve kterých spektrometr měří.

Z iontové komory ionty před vstupem do elektrostatického analyzátoru procházejí iontově optickou soustavou a štěrbinami, které jednak korigují dráhy iontů, jednak umožňují přepínat mezi vysokým rozlišením v krátké části spektra a přehledovým spektrem s nižším rozlišením. V této soustavě se zároveň urychlí, případně zpomalí na požadovanou hodnou kinetické energie, které odpovídá hodnotě urychlujícího napětí U.

Elektrostatický analyzátor je konstruovaný tak, že štěrbinovitým prostorem mezi dvěma kovovými válcovými plochami, mezi nimiž je elektrické napětí, prochází ionty určené k analýze. Směr pohybu iontů se přitom změní o 90°. Aby ionty přitom nedopadly na žádnou z elektrod, nemělo by elektrické pole měnit velikost rychlosti iontů, ale pouze směr pohybu nabité částice, jinými slovy iontu uděluje elektrické pole pouze dostředivé zrychlení.

Pokud je z-násobně ionizovaný ion s nábojem q = ze a hmotností m urychlen napětím U, pro jeho kinetickou energii platí

Dostředivá síla vyvolaná elektrickým polem o intenzitě E

pak způsobí pohyb po kružnici s poloměrem R

Výsledek je na první pohled překvapivý. Ze závislosti zcela vypadly hmotnost i náboj. Nicméně tato část spektrometru umožňuje pomocí intenzity elektrického pole nastavit kinetickou energii iontů. Mohlo by se zdát, že k nastavení stačí pouze urychlující napětí. Je třeba si uvědomit, že toto napětí kinetickou energii iontů zvýší, ale ionty samy určitou kinetickou energii mají. Samotné urychlení na výstupu z ionizační komory k přesnému nastavení energie iontů nestačí, díky počáteční rychlosti může být rychlost iontů nepatrně vyšší nebo nižší. Pro představu o nutné přesnosti nastavení energie: ROSINA DFMS dokáže od sebe rozlišit oxid uhelnatý a molekulu dusíku nebo izotop uhlíku ¹³C od přibližně stejně hmotné molekuly ¹²CH.

Jelikož vzdálenost mezi elektrodami elektrostatického separátoru je dána konstrukcí, provádíme nastavení energie pomocí napětí na elektrodách. Zároveň se na výstupu z analyzátoru ionty, které letěly se stejnou energií, ale pod různými úhly, sejdou v témže místě.

Rozložení iontů podle energií se v elektrostatickém analyzátoru převede na směr, ve kterém se ionty pohybují. Další zpřesnění energie iontů je možné provést geometrickým omezením pomocí dvojice štěrbin, jedné na výstupu elektrostatického segmentu a druhé na vstupu do magnetického segmentu.

Technický nákres spektrometru ROSINA DFMS. Zdroje: Space Sci, A&A.

V magnetickém sektoru se již provede vlastní rozdělení podle poměru hmotnosti a náboje. Předpokládejme pro jednoduchost, že se ionty pohybují kolmo k siločárám magnetického pole. Síla, kterou působí magnetické pole o indukci B je vždy kolmá ke směru rychlosti iontu, magnetické pole tak působí dostředivou silou

díky níž se ion pohybuje po zakřivené dráze s poloměrem

Protože se v elektrostatickém segmentu kinetická energie neměnila, pouze se zpřesnila její hodnota, tak i zde můžeme rychlost vyjádřit pomocí urychlujícího napětí. Pro kinetickou energii potřebujeme čtverec velikosti rychlosti, tedy umocníme získaný vztah na druhou

Výsledně

Indukce magnetického pole v analyzátoru je pevně daná hodnota (až na výše zmíněnou závislost na teplotě zařízení) a poloměr zakřivení dráhy je daný konstrukcí magnetického segmentu. Kinetická energie iontů pro jednou ionizovanou částici s hmotností 12 DaDalton – Da, jednotka molekulární hmotnosti. Velikostí odpovídá atomové hmotnostní jednotce, atomic mass unit, u, rovné jedné dvanáctině hmotnosti volného izotopu ¹²C v základním stavu. U makromolekul, jako jsou například nukleové kyseliny či bílkoviny, se často používají násobné jednotky, kilodaltony kDa a megadaltony MDa. je 6 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K., pro jednonásobně ionizovaný 140 Da ion je energie 430 eV. Jelikož z ionizační komory jsou ionty extrahovány napětím 1 kV, je patrné, že v případě těžších molekul je nutné ionty před vstupem do elektrostatického analyzátoru brzdit.

Na výstupu z magnetického sektoru jsou umístěny mutlipólové iontově optické členy, které zvyšují citlivost měření v detekční části při použití detekčního prvku s prostorovým rozlišením. Vlastní detektory buď využívají pro zesílení signálu sekundární elektron-elektronovou emisi (případně i s prostorovým rozlišením 512×512 pixelů u MCP/LEDA detektoru), nebo je detektorem Faradayův válec.

Glycin a fosfor v komě 67P

Na přítomnost nejjednodušší aminokyseliny, glycinu, v materiálu vyvrhovaném z komet ukazovaly již výsledky mise Stardust, která proletěla kolem komety Wild 2. Bohužel, vzhledem ke kontaminaci vzorků pozemským materiálem, byl kometární původ usuzován jen nepřímo ze zastoupení izotopu ¹³C. Pochybnosti o výskytu aminokyseliny, která jako jediná může vznikat v bezvodém prostředí v zárodečném materiálu naší sluneční soustavy, tak přetrvávaly. Zároveň se zpočátku optimistická tvrzení, že se glycin vyskytuje v molekulárních oblacích, ukázala jako nepodložená. Ve vesmíru se aminokyseliny vyskytují v meteoritech, a má se za to, že zde klíčovou roli hrají procesy probíhající ve vodním prostředí.

Při stanovování přítomnosti organických molekul narážíme na zásadní problém hmotnostní spektroskopie. Z podstaty metody je vlastně stanoven pouze sumární vzorec. Například pro glycin zjistíme přítomnost molekuly C₂H₅NO₂. Pod tímto vzorcem se však může skrývat několik sloučenin, izomerů. Naštěstí se při ionizaci na vstupu spektroskopu rozrušují chemické vazby a vznikají tak lehčí ionty, fragmenty původní molekuly, s charakteristickou hmotností. Díky absenci signálů odpovídajících molekulovým hmotnostem typických fragmentů bylo možné postupně vyloučit řadu izomerů C₂H₅NO₂. Zcela vyloučit se nepodařilo přítomnost methylkarbamové kyseliny, nicméně nebude tvořit více než 10 % ze signálu odpovídajícímu glycinu na 75 Da. Společně s glycinem byl v materiálu z komety stanoven methylamin, který nemá izomery a ethylamin, jehož izomer dimethyamin byl vyloučen. Z těchto molekul může být syntetizován glycin. Zajímavostí je signál na 28 Da, který nemůže být vysvětlen fragmentací detekovaných molekul, ale příčinou může být fragment methylhydrazinu z pohonu sondy.

Spektra z ROSINA DSMS snímaná dne 9. července 2015. Vzorek pro stanovení spektra byl nabírán po dobu 20 s. Chybové úsečky odpovídají směrodatné odchylce. Zdroj: Sci. Adv.

Příspěvky hlavních fragmentů glycinu, methylaminu a ethylaminu ve spektru
snímaném deset dní před přísluním, 3. srpna 2016 Zdroj: Sci. Adv.

Glycin byl poprvé detekován při navedení na dráhu ve výšce 10 km nad kometou, před vypuštěním přistávacího modulu Philae v říjnu 2014. Kometa byla v té době ve vzdálenosti 3 auAU – astronomická jednotka (Astronomical Unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů. od Slunce. Další zaznamenání glycinu proběhlo 28. března 2015, 2 au od Slunce při průletu 15 km nad kometou. Měření probíhala od místního rána do místního odpoledne, přičemž se vzdálenost od jádra měnila mezi třiceti a patnácti kilometry při sestupu i vzestupu. Pokud považujeme kometu za bodový zdroj, měla by hustota vynásobená čtvercem vzdálenosti od komety zůstat konstantní. Tento předpoklad se potvrdil pro celkovou hustotu, ve které hlavní roli hraje voda. Nicméně pro glycin se ukazovaly vyšší hodnoty. To ukazuje na pravděpodobné uvolňování glycinu z prachových částic. Pro tento předpoklad hovoří i zjištění glycinu během výtrysku hmoty ve vzdálenosti 200 kilometrů od komety. Glycin byl detekován pouze v oblastech s vysokou hustotou při těsných průletech, případně za situací, kdy se Rosetta ve větší vzdálenosti dostala do výtrysku hmoty z komety. Nelze však vyloučit, že se glycin nachází i v kometárním ledu a je uvolňován společně s dalšími látkami. Sublimační teplota glycinu je poměrně vysoká, takže tato molekula není příliš těkavá s ohledem na nízkou teplotu komety. Tmavá prachová zrnka se však mohou zahřát na vyšší teploty.

Závislost hustoty neutrálního plynu a glycinu při průletu kolem 67P
28. března 2015 na vzdálenosti od komety. Zdroj: Sci. Adv.

Fosfor je nezbytnou složkou nukleových kyselin, které zajišťují v organizmech ukládání a přenos informace. Nukleotidy jsou významnými molekulami z hlediska přenosu energie a buněčné signalizace. V hmotnostních spektrech byl nalezen fragment odpovídající atomárnímu fosforu, nicméně se zatím nepodařilo najít rodičovskou molekulu.

Hmostnostní spektrum ukazující na přítomnost fosforu v komě 67P Zdroj: Sci. Adv.

 

Hmotnostní spektrum v oblasti fosfanu neumožňuje stanovit výskyt této
molekuly v komě 67P. Zdroj: Space Sci. Rev.

A další aminokyseliny? Zatím nevíme

Pátrání po další aminokyselině, alaninu, v hmotnostních spektrech neukázalo měřitelné stopy této aminokyseliny. Na pátrání po alaninu a dalších aminokyselinách si budeme muset počkat až na samotný závěr mise, kdy Rosetta řízeně po spirále dosedne na kometu. Při průletu hustějšími oblastmi bude možné pátrat po vzácně se vyskytujících sloučeninách uvolňovaných z komety. Závěrečná fáze mise bude přínosná jak pro pátrání po zatím nezaregistrovaných sloučeninách, tak pro přesnější statistické vyhodnocení již naměřených dat.

Hmotnostní spektrum v oblasti výskytu alaninu. Proložení sousedních piků Gaussovým rozložením při superpozici vylučuje statisticky významný signál v oblasti alaninu. Zdroj: Sci. Adv.

Odkazy