Astrokimia: Spektroskopi di Luar Angkasa
Pada tingkat yang paling mendasar, astrokimia berhubungan dengan dari mana zat di alam semesta berasal. Cara utama yang dipelajari adalah melalui penggunaan spektroskopi, yang merupakan studi tentang emisi dan interaksi suatu zat dengan radiasi dan cahaya elektromagnetik, atau foton. Teleskop radio mengukur foton ini dan membuat spektrum dengan data.
Spektroskopi Atom
Ada dua subkategori spektroskopi. Yang pertama adalah spektroskopi atom, yang mengukur penyerapan atau emisi foton pada panjang gelombang tertentu ketika elektron mengalami perubahan tingkat energi. Jika sebuah elektron transisi dari tingkat energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah, maka energi dilepaskan, dan jika sebuah elektron transisi dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi, maka energi diserap karena elektron membutuhkan energi untuk bergerak lebih jauh dari inti atom.
Spektroskopi Molekuler
Jenis lain dari spektroskopi adalah spektroskopi molekuler, dan mengukur emisi energi atau penyerapan dengan perubahan keadaan energi rotasi suatu molekul. Keadaan energi rotasi suatu molekul tergantung pada putaran elektronnya. Ketika putaran elektron berubah karena interaksi dengan energi, keadaan energi rotasi molekul berubah dan ia memancarkan atau menyerap foton.
Spektrum
Interaksi dengan energi ini dapat diukur dan ditunjukkan pada spektrum. Emisi terjadi ketika sumber yang dipelajari melepaskan foton, dan garis emisi muncul sebagai garis berwarna pada latar belakang hitam ketika ditampilkan sebagai spektrum karena penerima menerima foton yang dipancarkan pada panjang gelombang yang ditunjukkan. Di sisi lain, penyerapan terjadi ketika sumber “habis” atau menyerap energi. Garis absorpsi tampak sebagai garis hitam pada spektrum kontinu. Karena energi yang diserap atau dipancarkan oleh setiap elemen memiliki panjang gelombang spesifik dan garis emisi atau absorpsi muncul pada panjang gelombang foton yang dipancarkan atau diserap, elemen dapat diidentifikasi menggunakan spektrum.
Penggolongan Spektrum
Jenis benda di ruang angkasa yang melepaskan atau menyerap energi? Blackbodies, yang merupakan gas atau padatan yang sangat panas dan padat yang bertindak sebagai sumber cahaya seperti bintang, melepaskan energi pada spektrum kontinu. Jika gas yang sejuk dan transparan berada di antara benda hitam itu dan Bumi, garis absorpsi akan ditunjukkan pada spektrum kontinu yang sebaliknya karena gas itu menyerap foton yang dilepaskan oleh sumber cahaya pada panjang gelombang tertentu yang sesuai dengan unsur-unsur di dalamnya. Jika hanya ada gas transparan yang panas, gas akan melepaskan energi pada panjang gelombang yang sesuai dengan elemen di dalamnya dan membuat garis emisi.
Spektrum Garis
Spektrum ini dapat diplot pada grafik yang membandingkan panjang gelombang dan intensitas. Garis emisi muncul sebagai lonjakan karena ada lebih banyak cahaya yang diterima pada panjang gelombang itu, dan garis penyerapan muncul sebagai lembah karena ada lebih banyak tidak adanya cahaya pada panjang gelombang itu. Juga, panjang gelombang dari garis emisi atau serapan yang ditunjukkan pada grafik adalah sama dengan panjang gelombang atau foton yang dipancarkan atau diserap oleh atom.
Pergeseran Doppler
Mengamati garis spektrum dari zat yang sama dalam ruang beberapa kali juga dapat memberikan informasi tentang di mana dan seberapa cepat ia bergerak. Jika garis spektrum bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek, atau ke kiri, objek bergerak ke arah Bumi. Ini disebut pergeseran biru. Jika objek bergerak lebih jauh dari Bumi, garis spektrum akan bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang, yang disebut pergeseran merah. Ini karena Efek Doppler, karena frekuensi dan panjang gelombang objek berubah saat bergerak lebih jauh atau lebih dekat. Semakin jauh pergeseran dalam garis spektrum, semakin besar kecepatan objek dan semakin cepat bergerak.
Pengamatan dari Garis Spektrum
Garis spektrum memberi tahu kita tentang kelimpahan relatif material, sehingga lonjakan yang lebih besar berarti bahwa ada lebih banyak unsur di bintang, gas, atau zat. Garis spektrum juga dapat memberikan informasi tentang area di sekitar bahan. Sekeliling dengan suhu yang lebih tinggi atau tekanan yang lebih tinggi akan menyebabkan garis spektrum yang diambil bintang melebar karena masing-masing molekul mengalami pergeseran Doppler. Rotasi yang lebih cepat dari suatu objek akan menyebabkan garis spektrum melebar karena pergeseran biru dan pergeseran merah pada setiap bagian dari objek akan lebih drastis, menyebarkan garis spektrum.
Supernova
Garis spektrum dapat digunakan untuk memeriksa bintang, gas, es, debu, dan banyak lagi. Satu kegunaan khusus adalah untuk menentukan apakah ledakan di ruang angkasa adalah supernova, yang merupakan ledakan yang terjadi menjelang akhir siklus hidup bintang. Melihat garis spektrum dari sisa-sisa ledakan adalah satu-satunya cara untuk menentukan apakah itu supernova dan untuk menentukan jenis supernova itu. Melihat garis spektrum, jika ada garis emisi yang menunjukkan keberadaan hidrogen, maka supernova adalah Tipe II. Jika tidak ada hidrogen, maka itu adalah Tipe I, tetapi ada subkategori supernova Tipe I. Jika ada silikon tetapi tidak ada hidrogen maka itu Tipe Ia, jika ada hidrogen tetapi tidak ada silikon maka itu adalah Tipe Ib, dan jika tidak ada hidrogen atau silikon maka itu adalah Tipe Ic. Tipe II, Ib, dan Ic tidak terjadi pada galaksi elips dan biasanya terbentuk di lengan spiral. Ini muncul dari bintang masif yang mengalami keruntuhan inti dan menghasilkan bintang neutron atau lubang hitam. Supernova tipe Ia terbentuk di galaksi mana pun dan tidak memerlukan kehadiran lengan spiral. Ini berasal dari kerdil putih karbon-oksigen yang memperoleh materi dari bintang terdekat dan menjalani pelarian termonuklir, sebuah reaksi yang mengeluarkan materi ke luar angkasa.
Ejeksi gas ke ruang angkasa dari supernova adalah ejeksi gas yang paling keras dan paling panas. Ruang yang dilontarkannya berisi materi dan radiasi, dan itu disebut medium antarbintang. Karena sisa supernova sangat panas, mereka memancarkan sebagian besar cahayanya di bagian sinar-X dari spektrum cahaya. Ledakan itu juga melepaskan gelombang kejut dan material bintang yang memiliki kecepatan secepat satu persen dari kecepatan cahaya. Kecepatan ini menyebabkan gas memanas dan membentuk plasma. Gelombang kejut juga menyapu gas dan material di jalurnya dan menggerakkannya, mungkin menyebabkan reaksi dengan elemen lain.
Hidrokarbon Aromatik Polisiklik (HAP) dalam Media Antarbintang
Setelah gelombang kejut dan gas yang dikeluarkan mendingin, ia menjadi dimasukkan ke dalam media antarbintang ketika ia berinteraksi dengan gas dan awan ruang angkasa lainnya. Banyak dari bahan-bahan ini terbuat dari hidrokarbon aromatik polisiklik karena panas, kaya hidrogen, dan kaya karbon. Molekul-molekul ini adalah variasi benzena dan kadang-kadang memiliki kelompok yang berbeda yang melekat pada karbon luar. Kondisi medium antarbintang, karena panas dan padat, menciptakan lingkungan yang mendukung ikatan hidrokarbon kecil sehingga terbentuk hidrokarbon aromatik polisiklik.
Ketika es ini dengan air dan hidrokarbon aromatik polisiklik terpapar radiasi, hidrokarbon aromatik polisiklik bereaksi, terutama hidrogen luar atau dalam kelompok. Jika oksigen dimasukkan dalam reaksi, maka eter, alkohol, dan keton dapat diproduksi, dan beberapa di antaranya memiliki hubungan astrobiologis. Yang paling menarik dalam astrobiologi adalah keton aromatik, atau hidrokarbon aromatik polisiklik dengan gugus CO di tepi luarnya, karena mengandung kuinon, yang berperan dalam proses biokimia pada organisme hidup di Bumi. Sebagai contoh, dua cincin naftalena hidrokarbon aromatik polisiklik. Ketika ini dalam es yang mengandung H2O dan terkena radiasi UV, atom oksigen dapat ditambahkan ke tepi naftalena, membentuk produk seperti alkohol aromatik 1-naftol dan 2 naftol, dan kuinon 1,4-naftoquinon.
Secara keseluruhan, spektroskopi dapat digunakan untuk mengidentifikasi senyawa di ruang angkasa, menginformasikan tentang gerakannya, memberikan wawasan tentang lingkungan di sekitar mereka, dan digunakan untuk memeriksa bintang dan medium antarbintang.