Van stof tot ster en weer terug

Welke rol spelen moleculen bij de vorming van sterren en planeten? Hoe zijn de chemische bouwstenen voor leven ontstaan? Dat zijn enkele van de onderzoeksvragen uit het nieuwe NWO-programma astrochemie. 

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese, oktober 2010

Het grootste deel van het heelal is extreem koud en leeg en wordt ook nog eens doorzeefd met gevaarlijke straling. Niet bepaald een gunstige omgeving voor de vorming van moleculen. Daarvoor moeten atomen of ionen namelijk stabiele bindingen met elkaar aangaan. Toch komt molecuulvorming in het heelal veel vaker voor dan decennialang werd gedacht, van eenvoudige vormen als moleculair waterstof tot complexe koolwaterstoffen die uit tientallen atomen kunnen bestaan.

De technische vooruitgang van telescopen heeft het mogelijk gemaakt om niet alleen natuurkundige aspecten van het heelal te onderzoeken, maar ook de scheikundige: hoe vormen moleculen zich onder ogenschijnlijk vijandige omstandigheden? In de jaren zeventig en tachtig begonnen astronomen voor het eerst oog te krijgen voor de rol van moleculen in de ruimte. Langzamerhand ontwikkelde zich uit de combinatie van astronomie en chemie het geheel nieuwe vakgebied van de astrochemie.

Hoewel Nederlandse onderzoekers al jarenlang op individuele basis bijdragen aan dit vakgebied, bestaat er sinds 1 september voor het eerst een geïntegreerd NWO-onderzoeksprogramma astrochemie (zie kader). “De astronomen weten welke onderzoeksvragen interessant zijn en de chemici kunnen helpen bij het beantwoorden daarvan”, zegt hoogleraar Xander Tielens van de Universiteit Leiden en voorzitter van de programmacommissie.

Het grote belang van de astrochemie voor de evolutie van het heelal blijkt vooral uit de chemische kringloop van elementen. Sterren die aan het eind van hun leven zijn gekomen, slingeren grote hoeveelheden materiaal de ruimte in. In de interstellaire ruimte wordt dit materiaal gebombardeerd door straling en deeltjes waardoor het chemisch verandert. De nieuw gevormde stoffen dienen vervolgens als bouwmateriaal voor de vorming van een volgende generatie sterren en planeten. Zo sluit de chemische kringloop zich: van stof tot ster en weer terug.

“De belangrijkste vraag voor astrochemici is wat de rol is van moleculen in deze kringloop”, zegt Tielens. “Spelen ze alleen een passieve rol of juist ook een actieve rol? En als ze een actieve rol spelen, welke rol is dat dan precies?”

Klontering
Een belangrijke motivatie voor het NWO-onderzoeksprogramma astrochemie vormde het in aanbouw zijnde Atacama Large Millimeter Array, kortweg ALMA. ALMA wordt een verzameling van tenminste vijftig radiotelescopen op vijf kilometer hoogte in de Chileense Atacamawoestijn. Naar verwachting gaat ALMA vanaf eind 2011 de vorming van sterren en planeten in het vroege universum in beeld brengen.

“Nederland is heel actief in ALMA,” zegt Tielens, “onder andere met het ontwerpen van detectoren. Voor de komende tien jaar wordt ALMA voor astrochemici een belangrijk instrument. Met een betere resolutie dan ooit tevoren kunnen we dan gaan bestuderen welke rol moleculen spelen in de met gas en stof gevulde schijven rond jonge sterren. Het zijn deze zogeheten protoplanetaire schijven waarin zich nieuwe planeten kunnen vormen.”

Een van de onderzoekers die binnen het nieuwe astrochemieprogramma gebruik hoopt te gaan maken van ALMA is Inga Kamp, universitair docent aan de Rijksuniversiteit Groningen. Kamp is vooral geïnteresseerd in het beginstadium van de planeetvorming. In het begin bevat een protoplanetaire schijf typisch 1 massaprocent stof en 99 massaprocent gas. Het stof bestaat voornamelijk uit silicaten en grafiet. Het gas bevat onder andere moleculair waterstof, koolstofmonoxide, koolstofdioxide en acetyleen. Kamp: “Hoewel er veel meer gas dan stof in de schijf zit, weten we minder van de rol van het gas dan van de rol van het stof. Daarom onderzoek ik juist het gas. Ik ben me gaan realiseren hoe belangrijk scheikunde is om de astronomische waarnemingen van moleculen te vertalen naar het begrijpen van protoplanetaire schijven.”

Aan het begin van de planeetvorming staan de kleine stofdeeltjes. Die gaan aan elkaar klonteren, vormen steeds grotere klonters, tot er zelfs kilometer grote rotsachtige klompen ontstaan. “Ik wil achterhalen hoe de samenstelling van de protoplanetaire schijf verandert tijdens dit proces”, zegt Kamp. “Hoe verandert de dikte van de schijf? Hoe verandert de straal? Hoe verandert de gastemperatuur op verschillende plekken in de schijf, en daarmee de chemische samenstelling? Met de Herschel Space Observatory onderzoeken we nu zo’n 250 schijven die zich in verschillende evolutionaire stadia bevinden. Dan spreken we over 1 tot 30 miljoen jaar na de vorming van de ster die zich middenin de schijf bevindt.”

Snapshots
Kamp ontwikkelt computermodellen van protoplanetaire schijven: “Ik bereken telkens een snapshot in de ontwikkeling van zo’n schijf. Alle snapshots bij elkaar vormen dan een filmpje van de evolutie van een protoplanetaire schijf.” De uitkomsten van haar modellen vergelijkt ze nu nog met die van de vorig jaar in de ruimte gestuurde Herschel-ruimtetelescoop. In de toekomst wil ze ook ALMA gaan gebruiken, die in zekere zin complementair wordt aan Herschel, vertelt Kamp. “Met ALMA kunnen we het koudste gedeelte van de schijf bestuderen, het gedeelte dat met Herschel niet zichtbaar is. Ik verwacht dan ook een mooie synergie tussen Herschel en ALMA.”

Hoe kan zij als onderzoeker profiteren van het feit dat er nu één geïntegreerd astrochemieprogramma in Nederland is gevormd? “Regelmatig zullen bijeenkomsten worden georganiseerd waarop we kennis en ervaringen gaan delen. Het is heel goed om je eigen onderzoek ook eens door de ogen van iemand anders te bekijken. Om een voorbeeld te geven: voor mij als astronoom heeft een stofkorrel in de ruimte een glad oppervlak. Maar voor een fysicus als Petra Rudolf, die ook in het astrochemieprogramma zit, is het oppervlak ruw en kan het allerlei insluitingen hebben. Juist die eigenschappen kunnen de chemie sterk beïnvloeden. Samen kunnen we dus een realistischer beeld krijgen.”

IJslagen
Waar Inga Kamp onderzoekt wat er in de protoplanetaire schijf als geheel gebeurt, bestudeert Herma Cuppen de individuele stofdeeltjes die zowel in moleculaire wolken als in protoplanetaire schijven voorkomen. Cuppen werkt nu nog als postdoc-onderzoeker aan de Universiteit Leiden, maar verhuist in januari met een ERC Starting Grant naar Nijmegen. Ze ontwikkelt deeltjessimulaties die zich over honderdduizenden jaren uitstrekken.

“Meer in het bijzonder onderzoek ik wat er qua chemie gebeurt op de stofdeeltjes die een ijslaag om zich heen hebben”, vertelt Cuppen. “Welke reacties vinden er plaats op het oppervlak? Wat is de temperatuur? Wanneer verdampt de ijslaag? Wat gebeurt er dan met de moleculen die zich op de ijslaag bevinden? Een van mijn doelen is om het inzicht wat volgt uit mijn deeltjesmodellen te gebruiken ter verbetering van de continuümmodellen zoals Inga die gebruikt.”

De met een ijslaag omhulde stofdeeltjes spelen een belangrijke rol in de temperatuurregeling van een moleculaire wolk of een protoplanetaire schijf. Omdat voor stervorming een omgeving met een lage temperatuur nodig is, spelen ze dus ook al een belangrijke rol voor de stervorming. Daarnaast worden uit het samenklonteren van zulke kleine ijsdeeltjes kometen gevormd.

Cuppen vergelijkt haar deeltjessimulatie in eerste instantie met laboratoriumexperimenten van haar Leidse collega’s. “Ik probeer mijn simulatieresultaten ook wel te vergelijken met astronomische waarnemingen, maar dat is toch een stuk moeilijker omdat die vaak grote inhomogene gebieden bestrijken.”

Een van de grote vragen die astrochemici proberen te beantwoorden is hoe water op aarde terecht is gekomen. Alles lijkt er op dat er al vroeg na de vorming van de aarde water was. Cuppen: “Maar hoe is het daar terecht gekomen? Via kometen met een ijslaag? Of ontstond het al met de vorming van planeet aarde? Als we meer weten over waar ijslagen precies voorkomen, kunnen we een beter idee krijgen voor de waarschijnlijkheid van de verschillende scenario’s.”

Cuppen is opgeleid als scheikundige en belandde min of meer bij toeval in de astrochemie. “Tot mijn verrassing zag ik dat de astronomie ook voor de chemie een heleboel interessante onderzoeksvragen heeft. En al die vragen hebben uiteindelijk toch te maken met de oorsprong van onszelf.”

Grootste moleculen Behalve dat het onderzoeksprogramma astrochemie aansluit bij nieuwe telescopen zoals ALMA en de James Webb Space Telescope, sluit het ook aan bij bestaande Nederlandse onderzoeksfaciliteit zoals de vrije-elektronenlaser FELIX van het instituut FOM Rijnhuizen en het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) van de Rijksuniversiteit Groningen.

“De grootste moleculen die in de ruimte voorkomen”, zegt hoogleraar Xander Tielens, “zijn de zogeheten polyaromatische koolwaterstoffen. Die komen veel in stofwolken voor. We weten dat deze uit elkaar kunnen vallen en moleculaire ringen of ketens kunnen vormen. Maar we weten niet precies hoe dat proces chemisch werkt. Dat gaan we onderzoeken door de koolwaterstoffen te bombarderen met verschillende soorten straling. Daarvoor gaan we zowel de FELIX-laser gebruiken als de deeltjesversneller van het KVI.”

Tielens benadrukt dat het NWO-programma naast het onderzoek nog een belangrijk doel dient: “Via zomerscholen en andere trainingen krijgen promovendi namelijk voor het eerst een specifieke opleiding die de astronomie combineert met de chemie en de fysica. Met het oog op de nieuwe telescopen ALMA en James Webb Space Telescope is het belangrijk dat we via dit opleidingsprogramma de onderzoeksleiders van de toekomst trainen.”


[kader:]
Onderzoeksprogramma Astrochemie in het kort

Op 1 september 2010 is het NWO-onderzoeksprogramma Astrochemie officieel van start gegaan. Over een periode van vijf jaar heeft NWO 2,8 miljoen euro beschikbaar gesteld voor vier onderzoeksthema’s: (1) de vorming, vernietiging en excitatie van eenvoudige moleculen in de gasfase; (2) de rol van stof en ijs in het heelal; (3) de chemische evolutie van polycyclische aromatische koolwaterstoffen; en ten slotte (4) het ontstaan van de chemische bouwstenen van leven.

Het onderzoeksprogramma is bottom-up tot stand gekomen: in onderling overleg hebben de onderzoekers zelf voorgesteld welke onderzoeksvragen zij belangrijk vinden en hoe die het beste aansluiten bij waar Nederland goed in is. Een internationaal wetenschappelijk panel heeft de voorstellen vervolgens bijgeslepen tot het huidige astrochemieprogramma.

In het programma werken vaste-staf-onderzoekers, post-docs, promovendi en studenten samen, afkomstig van de Universiteit Leiden, de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universiteit in Amsterdam, de Radboud Universiteit Nijmegen, de Rijksuniversiteit Groningen (Kernfysisch Versneller Instituut, Kapteyn Instituut en Zernike Instituut) en het FOM-instituut voor plasmafysica Rijnhuizen.

Internet

www.nwo.nl/astrochemie NWO-programma astrochemie
www.almaobservatory.org ALMA-telescoop in Chili
www.jwst.nasa.gov/ James Webb Space Telescope
http://herschel.esac.esa.int/ Herschel-ruimtetelescoop
www.rug.nl/kvi/index Kernfysisch Versneller Instituut (KVI)
www.rijnhuizen.nl/felix/ De vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-instituut Rijnhuizen