Från en jumbojet med inbyggt teleskop skannar astronomer långsamt och metodiskt av en del av himlen efter våglängder av infraröd strålning, ungefär som när en bilradio letar efter en radiokanal med en viss frekvens.
Tre gånger har teleskopet SOFIA skannat himlen efter strålning i den våglängd som molekylen heliumhydrid avger.
2016 fick forskarna äntligen träff. Molekylen består av en helium- och en väteatom och spelar en viktig roll i universums utvecklingshistoria.
Den enkla molekylen är nämligen enligt teorier den första byggstenen i universum.
Heliumhydrid bildade senare vätemolekyler som efter stora smällen samlades i enorma moln som gav upphov till universums första stjärnor och galaxer.
Därmed inledde urmolekylen den process som sedan skapade de flesta grundämnen, planeterna och allt liv. Trots ihärdiga försök kunde man inte hitta urmolekylen, vilket gjort att det uppstått tvivel runt teorierna för universum.
Molekyl gömmer sig i många år
I cirka 95 år har astronomerna vetat vad de har letat efter. 1925 visade laboratorieförsök att ädelgasen helium, som normalt inte gärna reagerar med andra atomer, kan reagera med en vätekärna.
Samman-smältningen bildar den stabila jonen heliumhydrid – HeH+ – som enligt astronomerna är universums första molekyl.
Sedan slutet på 1970-talet har forskarna också känt till den perfekta platsen att leta efter molekylen: Nebulosan NGC 7027.
All kemi i universum började med den enkla molekylen heliumhydridjon. Astronomer har nu för första gången hittat denna i en nebulosa som liknar det glödheta unga universum.
Nebulosan är bara 3 000 ljusår bort och omger en varm och starkt lysande, vit dvärgstjärna. Stjärnan liknade tidigare solen, men svällde till en röd jättestjärna.
För 600 år sedan skickade den ut sina yttre lager i rymden och blev en vit dvärg omgiven av ett tätt gasmoln.
Med energirik strålning och en temperatur på 4 000 grader påminner molnets förhållanden om det unga universum där urmolekylen uppstod.
Trots upprepade försök kunde man dock inte hitta molekylen i nebulosan.
De två rymdteleskopen Infrared Space Observatory och Spitzer har båda tidigare letat efter heliumhydrid utan framgång eftersom jonens våglängd på 149,137 mikrometer är så nära våglängden för en molekyl av kol och väte i nebulosan. Nu har astronomer dock hittat beviset.
SOFIA hittar viktigt bevis
Observationerna gjordes från en Boeing 747 där bakkroppen förstärkts för att klara belastningarna när astronomerna på 13 700 meters höjd öppnar en fyra kvadratmeter stor dörr på sidan.
Härifrån har det 2,5 meter stora teleskopet Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy fri utsikt mot rymdens infraröda värmestrålning som inte kan ses från jorden eftersom vattenångan i vår atmosfär absorberar strålningen.
SOFIA:s spektrometer kan tydligt se heliumhydrids våglängd på 149,137 mikrometer. Tidigare mätningar stördes av en annan molekyl med en våglängd på 149,09 mikrometer.
Flygande teleskop hittar urmolekylen i massor
Teleskopet SOFIA är inbyggt i en jumbojet och utvecklat för söka efter universums första molekyl, heliumhydrid. Molekylen avger infraröd värmestrålning som inte kan ses från jorden eftersom vattenånga i atmosfären absorberar strålningen. Eftersom planet flyger på 12–14 kilometers höjd är teleskopet ovanför 99 procent av vattenångan och SOFIA har därför nästan lika bra utsikt som ett rymdteleskop.
Det 2,5 meter stora teleskopet uppdateras också löpande, 2015 får det en ny spektrometer som kan söka efter en extremt specifik våglängd. Med den nyligen uppdaterade utrustningen kan SOFIA observera strålningen från heliumhydrid i nebulosan NGC 7027, där astronomerna hittat 3 000 av molekylerna per kubikmeter.
SOFIA har flugit i många år, men först 2016 fick forskarna bingo. SOFIA utrustades då med en ny tysk spektrometer med ultrahög upplösning, som kan skilja mellan infraröda våglängder precis intill varandra.
Med spektrometerns precision kunde SOFIA uppfatta en klar och otvetydig signal från heliumhydrid i nebulosan NGC 7027.
Genombrottet har sedan bekräftats med två andra flygningar och nebulosan har observerats i totalt 71 minuter.
Beviset på molekylens existens i rymden ger stöd för astronomernas teori att helium och väte gav den första kemiska bindningen mellan två atomer genom delade elektroner, en så kallad kovalent bindning.
”Nu kan vi äntligen undanröja alla tvivel om hur den första molekylen uppstod och satte igång kemiska reaktioner i det unga universum,” sa forskningsledaren Rolf Güsten på Max-Planck-Institut für Radioastronomie i Bonn efter publicering av forskargruppens resultat 2019.
VIDEO: SOFIA upptäcker universums första molekyl
Credit: NASA/Ames Research Center
Urmolekyl gav vätemoln
Nästa reaktion inträffade när heliumhydrid och fria vätekärnor skapade vätemolekyler, H2, och neutrala heliumatomer. Det banade väg för universums 200 miljarder galaxer och biljontals stjärnor.
Vätemolekylerna samlades i enorma gasmoln som kollapsade cirka 200 miljoner år efter stora smällen och därmed gav de första dvärggalaxerna.
Galaxerna bestod av jättestjärnor som var kortlivade och slutade i gigantiska supernovaexplosioner som slungade ut det mesta av sin massa i rymden
Universums första molekyl blev startskott för stjärnorna
De första neutrala atomerna uppstår
När temperaturen i universum faller lämnar de första grundämnena sin plasmaform. Helium bildar de första neutrala atomerna när kärnans två positiva protoner har tillräckligt mycket energi för att hålla kvar två negativa elektroner. Vätekärnor kan ännu inte fånga elektroner och bilda neutrala väteatomer.
Helium binder väte i den första molekylen
En heliumatom drar till sig en vätekärna som den binder sig till genom att dela sin ena elektron. Resultatet är universums första molekyl, en heliumhydridjon. Bindningen ökar molekylens energi så att den avger en ljuspartikel – en foton – för att nå sin lägsta energinivå, vilket molekyler alltid söker.
Joner bidrar till att vätemoln bildas
En foton från nebulosan träffar en heliumhydridjon och ger den tillräckligt mycket energi för att fånga ännu en vätekärna. Jonen delas i en heliumatom och en positivt laddad vätemolekyl som med två elektroner blir neutral. 200 miljoner år senare kollapsar stora moln av vätemolekyler och ger upphov till de första stjärnorna och galaxerna.
Bortsett från väte, helium och litium, som bildades vid stora smällen, har alla grundämnen upp till uran skapats i stjärnor och skickats ut i nebulosor.
Sedan har grundämnena reagerat med varandra och bildat förstadier till biologiska molekyler, som metanol och sockerämnen.
Människokroppens viktigaste byggstenar, syre, kol, kväve, kalcium och fosfor kommer alla från stjärndimmor.
SOFIA:s spektrometer måste kylas ned till den absoluta nollpunkten för att göra mätningar. Instrumentet heter GREAT – German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies.
Utan den enkla urmolekylen av helium och väte hade varken stjärnor, planeter eller jordens växter och djur någonsin uppstått.
Astronomerna har med fyndet av molekylen fått ett viktigt mellansteg i teorierna om de första stegen i universums utveckling. Nästa steg blir att observera molekylen mer ingående i äldre och mer avlägsna nebulosor.