|
|
| |
| Ijs in kraamkamers van sterren en planeten |
Prof. Dr. Ewine F. van Dishoeck
Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden
|
Sterren, planeten, kometen en nevels vormen al vele eeuwen lang een
bron van inspiratie vormen voor wetenschappers en artiesten
wereldwijd. Een van de eerste afbeeldingen van ijs, een houtsnede van
Olaus Magnus uit 1555 AD (Figuur 1), legt al -bewust of onbewust- een
verband tussen de verschillende vormen van sneeuwvlokken die in de
natuur bestaan en astronomische objecten: de maan, een ster, wolken en
straling. Nu, ruim 450 jaar later, zijn we in staat om ijs direct waar
te nemen in wolken waar nieuwe sterren zoals de Zon en planeten zoals
de aarde worden gevormd. Mijn onderzoek houdt zich bezig met de
chemische processen tijdens ster- en planeetvorming. Ijs blijkt hier
een belangrijke rol in te spelen.
Figuur 1. Houtsnede van Olaus Magnus (1555 AD) met verschillende
mogelijke vormen van sneeuwvlokken. (credit: F. van Broekhuizen, uit
artikel F. Eijgenraam, NRC Handelsblad 14 februari 1991).
|
 |
Figuur 2. Infrarode opname van de IC 348 nevel in Perseus met de
Spitzer Space Telescope. Deze wolk bevindt zich op bijna 1000
lichtjaar afstand van de aarde. De rode punt-vormige objecten zijn
jonge sterren; de diffuse geel-rood-groene straling komt van de kleine
stofdeeltjes in de wolk. In dit gebied vindt een ware geboortegolf
plaats: ons team heeft honderden nieuwe sterren gevonden die nog maar
een paar miljoen jaar of minder oud zijn. (credit: Lucas Cieza, Jes
Jorgensen en het "Cores to Disks" Spitzer Legacy team).
|
Sterren en planeten ontstaan in het heel ijle gas tussen de sterren:
de interstellaire materie. Dit gas kan worden opgelicht door de
straling van nabije sterren waardoor de meest fascinerende plaatjes
ontstaan, zoals de bekende opnamen van Orion en de Paardekopnevel. De
wolken bevatten echter ook kleine stofdeeltjes, die zelf bij langere
golflengten stralen, evenals de jonge sterren die nog omhuld zijn door
stof. Figuur 2 toont een infrarode opname van een stervormings-gebied
gemaakt met de Spitzer Space Telescope, een satelliet van de NASA waar
onze groep een groot waarneemprogramma op heeft, het "Cores to Disks"
programma. Ijs wordt gevonden in de dichtere en koudere concentraties
van dit gas en stof, de zogenaamde donkere wolken.
|
Dit soort beelden vormen voor mij een enorme inspiratie: aan de ene
kant toont het de schoonheid van de hemel, aan de andere kant laat het
onze plaats in het heelal zien: onze Zon is maar 'e'en van de
miljarden sterren in onze Melkweg en onze aarde is veel kleiner dan
'e'en pixel op deze fotos. En toch hebben we nu zulke krachtige
instrumenten tot onze beschikking dat we de samenstelling van zo'n
nevel kunnen bepalen. |
De stofdeeltjes -kleine silicium korreltjes ter grootte van een
micrometer, d.w.z. ruim duizend keer kleiner dan een zandkorreltje op
het strand-, zijn enorm koud: de temperaturen liggen maar net boven
het absolute nulpunt, oftewel meer dan 250 graden onder nul op de
Celcius schaal. Ze zijn daarom net een diepvries: gas kan er op
neerslaan in een ijslaagje (Figuur 3). Denk aan de prachtige
ijsbloemen op een autoruit die op een winterse ochtend gevormd worden
doordat water uit de lucht condenseert op het koude glas. Een ander
voorbeeld zijn sneeuwvlokken die ontstaan hoog in de atmosfeer als
water neerslaat rond kleine stofkernen. Het ruimte-ijs ontstaat op
eenzelfde manier, maar door de veel lagere temperaturen in de ruimte
dan op aarde kan niet alleen water (H2O) maar ook vluchtiger
verbindingen zoals koolstofmonoxide (CO), methaan (CH4) en ammonia
(NH3) neerslaan. Er zijn dus meerdere `smaken' ijs in de ruimte. De
interstellaire ijsjes bevatten zelfs methanol (CH3OH), de
eenvoudigste alcohol, zodat de alcohol in de ruimte letterlijk `on the
rocks' is.
|
Figuur 3. Schets van een interstellair stofdeeltje bestaande uit een
silicaat kern en een ijsmantel. Ultraviolette straling kan dit ijs
beinvloeden. (credit: Karin "Oberg)
|
|
Hoe weten astronomen dat deze ijzen inderdaad aanwezig zijn in de
ruimte? Per slot van rekening kunnen we niet zo maar naar een nevel
toe vliegen en daar ter plaatse een schepje stofdeeltjes analyseren.
Alle informatie wordt indirect verkregen uit de karakteristieke
straling die de verschillende stoffen absorberen of uitzenden. Een
bekend voorbeeld op aarde zijn de oranje lijnen van natrium in de
straatlantaarns. Zo heeft water-ijs een ander patroon (een andere
`kleur') dan methaan-ijs. Figuur 4 toont het infrarode spectrum in de
richting van een jonge ster. Gesuperponeerd op het continuum zijn een
groot aantal absorptie-banden te zien. De sterke band rond 6
micrometer is toe te schrijven aan water-ijs, die rond 15.2 micrometer
aan kool-dioxide ijs, enz.
Figuur 4. Infrarood spectrum van de protoster B1c in het Perseus
stervormingsgebied genomen met de Spitzer Space Telescope. De
absorptiebanden van water-ijs en andere ijzen zijn aangegeven. De
sterke absorptie rond 10 micrometer is toe te schrijven aan de
strekvibraties van de silicaat deeltjes. (credit: Adwin Boogert, Jes
Jorgensen en het "Cores to Disks" Spitzer Legacy team).
|
In ons Raymond & Beverly Sackler laboratorium aan de Sterrewacht
Leiden worden onder leiding van Harold Linnartz de omstandigheden in
de ruimte zo goed mogelijk nagebootst (Figuur 5). Ruimte-ijs wordt
gemaakt in een ultra-hoog vacuum opstelling door langzame condensatie
van verschillende gasmengsels. Spectra van deze laboratorium ijzen
kunnen dan direct worden vergeleken met die in de ruimte om de
identificaties te maken. De vorm van de lijnprofielen geeft verdere
informatie over de ijsomgeving en de temperatuursgeschiedenis van het
gebied. We kunnen deze ruimte-ijs analogen ook bloot te stellen aan
dezelfde omstandigheden als in de ruimte, zoals geleidelijke opwarming
en ultraviolette straling, waardoor we zelfs de chemie in de ruimte
kunnen simuleren. Zo hebben we gevonden dat bestraling van eenvoudige
ijsmengsels kan leiden tot complexe organische verbindingen die
belangrijk zijn in biologische systemen, zoals aminozuren.
|
Figuur 5. Opstelling in het Raymond & Beverly Sackler laboratorium aan
de Sterrewacht Leiden om ruimteijs te simuleren.
(credit: Harold Linnartz)
|
Ruimte-ijs wordt vooral gevonden in wolken waar op dit moment nieuwe
sterren en planeten gevormd worden. Juist bij dit ontstaansproces komt
warmte en ultraviolette straling vrij zodat complexe verbindingen
gevormd kunnen worden. Een aantal van deze organische stoffen
verdampen bij opwarming en zijn reeds als gas rond vormende sterren
waargenomen, een bevestiging van de laboratorium simulaties. Een grote
vraag is nu of deze complexe verbindingen op een jonge planeet terecht
komen, waar ze de basis kunnen vormen voor pre-biotische verbindingen,
en, uiteindelijk, misschien zelfs het ontstaan van leven elders in het
heelal.
Volgend jaar wordt de Herschel Space Telescope gelanceerd door de ESA,
die een veel grotere spiegel heeft dan Spitzer (3.6 meter versus 85
centimeter) en bij langere golflengten zal werken (100 versus 10
micrometer). Met Herschel verwachten wij vooral water gas te zien in
de warmere gebieden waar het water ijs verdampt. Daarmee is onze
inventarisatie van water compleet: vloeibaar water komt niet voor in
de ijle wolken. |
Ons eigen zonnestelsel is zo'n 4.6 miljard jaar geleden ook uit een
donkere interstellaire wolk ontstaan. De meest primitieve objecten
uit die oertijd zijn de miljoenen kometen: grote rots- en
sneeuw-ballen die in de koude buitengebieden van ons zonnestelsel
rondzwerven. Daardoor is hun samenstelling nog nauwelijks veranderd
sinds het ineenstorten van de wolk. E'ens in de zoveel jaar wordt de
baan van 'e'en van de kometen verstoord, waardoor deze dichter bij de
Zon komt. Door de opwarming verdampt het ijs, hetgeen resulteert in de
prachtige komeetstaarten die we aan de hemel kunnen zien. Juist in de
afgelopen jaren hebben we het geluk gehad dat er een paar zeer heldere
kometen dichtbij de aarde zijn geweest: Hale-Bopp in 1997 en zeer
onlangs McNaught in 2007 (Figuur 6). De chemische samenstelling van
deze staarten is uitvoerig bestudeerd met alle mogelijke telescopen op
aarde en in de ruimte. Het fascinerende resultaat is dat hun chemische
samenstelling heel erg goed overeenkomt met die van de ijzen in de
ruimte. Met andere woorden: het ruimte-ijs vormt inderdaad de basis
van het materiaal waaruit onze aarde, en uiteindelijk wijzelf, zijn
gemaakt. | 
Figuur 6. Komeet McNaught gefotografeerd op 19 januari 2007 boven
Santiago. (credit: European Southern Observatory)
|
|
