Cząsteczka tlenku węgla składa się z zaledwie dwóch atomów, więc jej możliwości ruchu są bardzo skromne. Węgiel i tlen mogą się do siebie zbliżać, oddalać albo wirować wokół wspólnego środka ciężkości. Na tym kończy się cały jej repertuar.
Ta prostota sprawia jednak, że to ulubiony cel radioastronomów – tłumaczy Dmitrij Wiebe, astronom z Instytutu Astronomii Rosyjskiej Akademii Nauk, badający chemię materii międzygwiazdowej. Wyobraźmy sobie lodowaty obłok o temperaturze około 10 kelwinów. Jedyne dostępne źródło energii to znikome ciepło samego gazu. Tlenek węgla rozdziela je zaledwie między garść poziomów energetycznych – każdemu przypada spora część, a każdy przeskok emituje wyraźną, jasną linię widmową. Najpierw jedną, potem drugą, trzecią.
Gdybyśmy jednak w tym samym obłoku umieścili cząsteczkę złożoną z piętnastu atomów, sytuacja zmieni się diametralnie. Choć energii cieplnej jest tyle samo, atomy mają bez porównania więcej swobody: zginają się, skręcają, a całe fragmenty cząsteczki kołyszą się względem siebie. Ten sam skromny budżet energetyczny trzeba podzielić między wszystkie te ruchy. Każdemu przypada ledwie okruch, przez co każda linia widmowa staje się słaba i ledwo dostrzegalna. A samych linii powstaje mnóstwo – jak ujmuje to Wiebe, są „upakowane ciasno”, jedna obok drugiej.
Właśnie dlatego lista cząsteczek wykrytych w przestrzeni kosmicznej ma swój pułap. Ta granica mówi jednak więcej o naszych teleskopach niż o samym wszechświecie. Jeśli obserwacje urywają się na cząsteczkach pewnej wielkości, nie oznacza to wcale, że większe nie istnieją. Najprawdopodobniej tam są – po prostu nie potrafimy ich wyłowić z tła.
Im więcej atomów w cząsteczce, tym więcej takich ruchów jest możliwych i tym więcej potencjalnych linii ona wytwarza. Ale energia potrzebna do ich wzbudzenia pozostaje zawsze taka sama.
И чем больше в молекуле атомов, тем больше возможно этих движений, тем больше потенциальных линий порождает эта молекула. Но энергия для возбуждения этих движений всегда одна и та же.
— Dmitrij Wiebe, Think Like a Scientist, 15:01
Słaby sygnał to zaledwie pierwszy kłopot. Linie każdej cząsteczki tworzą na widmie coś w rodzaju gęstego grzebienia, a w obłoku kryją się przecież dziesiątki różnych związków. Grzebień jednej cząsteczki nakłada się na grzebień drugiej, trzeciej, pięćdziesiątej. Do tego dochodzą odmiany izotopowe – cząsteczki, w których choćby jeden atom wodoru zastąpił cięższy deuter. Każdy taki wariant generuje własny układ linii, minimalnie przesunięty względem oryginału. Całe widmo zamienia się w nieprzeniknioną palisadę prążków, a badacz musi bez cienia wątpliwości wskazać: ta linia należy do tej cząsteczki, a tamta do innej. A potem przekonać do tego resztę środowiska naukowego.
Na tym trudności się nie kończą. Nikt nie jest w stanie spojrzeć na chaotyczną plątaninę linii i nagle obwieścić odkrycie nowego związku, na przykład mrówczanu metylu. Linie kandydata muszą być wcześniej dokładnie znane z pomiarów laboratoryjnych lub obliczeń teoretycznych – astronom jedynie sprawdza, czy pasują do zarejestrowanego widma. Szuka się więc wyłącznie tego, o czym wcześniej pomyślano.
Naukowcy znaleźli jednak sposoby, by sobie z tym radzić. W badaniu kierowanym przez Gabi Wenzel, opublikowanym w 2024 roku w czasopiśmie „Science”, udało się wykryć 1-cyjanopiren w zimnym obłoku TMC-1 za pomocą stumetrowego radioteleskopu Green Bank. Zespół nie polował na pojedyncze, słabe linie. Wycięto niewielkie wycinki widma wokół 150 najjaśniejszych spodziewanych prążków i nałożono je na siebie, uśredniając sygnał w jedną linię. Wynik osiągnął istotność statystyczną 14,3 sigma, wybijając się daleko ponad szum tła.
Ogromne znaczenie ma również dobór samego obiektu. Izaskun Jiménez-Serra w przeglądzie z 2025 roku opublikowanym w „Handbook of Astrochemistry” doliczyła się 81 złożonych cząsteczek organicznych zidentyfikowanych w latach 2021–2025. Prawie wszystkie odkryto za pomocą pojedynczych radioteleskopów wycelowanych w źródła o niskiej temperaturze wzbudzenia. Takie obszary generują znacznie mniej zakłóceń widmowych niż zwarte, gorące obiekty.
Ziemski chemik ma w porównaniu z astronomem nieporównanie prostsze zadanie: bierze kolbę, zamyka w niej cząsteczkę i dysponuje dowolną ilością czasu na jej zbadanie. Badacz spoglądający poza Układ Słoneczny może jedynie odbierać docierające stamtąd promieniowanie. Dlatego gdy w danych pojawia się cząsteczka złożona z dwudziestu atomów i pomyślnie przejdzie weryfikację, jak mówi Wiebe, „cieszymy się jak szaleni”. Wszystko, co większe, najpewniej również tam jest – ukryte w tym samym przepełnionym paśmie, zbyt słabe, by dało się je rozsupłać.
