En hvit dverg er en sol-lignende 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)
En hvit dverg er en sol-lignende 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 UiO-forskere 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.

Published

Hvit dverg

Stjerne med relativt høy overflatetemperatur, men med meget liten radius.

En typisk hvit dverg har en masse som solen, en størrelse som jorden, en tetthet over en million ganger vannets og en overflategravitasjon noen hundre tusen ganger så høy som på jorden.

Antallet av hvite dverger er stort, sannsynligvis cirka 10 prosent av alle stjerner.

(Kilde: Store norske leksikon)

Det var ikke bare kvantekjemikere og astrofysikere som sperret øynene opp da en forskergruppe ved Universitetet i Oslo (UiO) presenterte sin oppdagelse i 2012.

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

– 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 ved UiO.

– 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 har motsatt elektrisk ladning.

Funnet sprengte rammene

Da professor Trygve Helgaker og et forskerteam oppdaget en tredje type kjemisk binding, ved hjelp av teoretiske beregninger, gikk derfor nyheten verden rundt. 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 lignet 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 påvise 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 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 en bindende orbital med lavest mulig energitilstand, forklarer Bondo Pedersen.

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. (Foto: (Illustrasjon: Jacek FH, Wikimedia Commons))
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. (Foto: (Illustrasjon: Jacek FH, Wikimedia Commons))

En orbital er betegnelsen på de områdene hvor elektroner i atomer eller molekyler mest sannsynlig befinner seg.

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

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 heliummolekyler 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 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. Elektroner som faller fra en energirik orbital til en bindende orbital, sender nemlig 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.

Michele Cascella (til venstre), Thomas Bondo Pedersen og Trygve Helgaker var med på å finne den tredje typen kjemisk binding, som nå skal påvises blant stjernene. (Foto: Bjarne Røsjø, UiO)
Michele Cascella (til venstre), Thomas Bondo Pedersen og Trygve Helgaker var med på å finne den tredje typen kjemisk binding, som nå skal påvises blant stjernene. (Foto: Bjarne Røsjø, UiO)

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.

Forskerne ved UiO samarbeider nå med 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.