Grillige stofdeeltjes als katalysator van ruimte-ijs

Waterstofmolecuul
Het meest voorkomende molecuul in de interstellaire wolken is moleculair waterstof, een molecuul dat uit twee waterstofatomen bestaat. ‘Moleculair waterstof kan zich niet vormen in de gasfase’, vertelt Cuppen. ‘Het moet zich dus op een andere manier vormen. Dit gebeurt op de oppervlakte van heel kleine stofdeeltjes in de interstellaire ruimte.’ Als een waterstofatoom botst met een stofdeeltje, blijft het een tijdje aan het deeltje hangen en kan over het oppervlak bewegen en in aanraking komen met een ander waterstofatoom, waarmee het dan versmelt tot een waterstofmolecuul.

Experimenten
Cuppen: ‘Een onderzoeksgroep heeft in de Verenigde Staten geprobeerd dit proces na te bootsen in het laboratorium. In een vacuümsysteem schoten ze op een oppervlak bij lage temperatuur waterstofatomen en vormden op die manier moleculair waterstof.’ Om de experimenten in een werkbare tijd te kunnen doen moet men in het laboratorium een veel grotere stroom atomen gebruiken dan in de ruimte. Een Israëlische onderzoeksgroep heeft de resultaten van die experimenten vertaald naar de interstellaire situatie. ‘Ze kwamen tot de conclusie dat het helemaal niet mogelijk was dat zich op die manier moleculair waterstof vormde’, zegt Cuppen. ‘De atomen zaten niet lang genoeg op een stofdeeltje om met een andere atoom een molecuul te vormen. ‘

Grillig
Toch is er moleculair waterstof in de interstellaire ruimte en de vraag is dan ook hoe dat is ontstaan. Cuppen heeft een methode ontwikkeld waarbij ze ook kan kijken naar de structuur van de stofdeeltjes. ‘Het gladde oppervlak in het laboratorium werd rechtstreeks naar een stofdeeltje vertaald. We weten weliswaar niet precies hoe zulke stofdeeltjes eruit zien, maar we weten dat wel van deeltjes in ons zonnestelsel. Die zijn heel ruw.’ Ze lijken in zekere zin op zandkorreltjes, maar dan veel kleiner met een diameter van zo’n 10 tot 500 nanometer (nm)*. Zandkorrels kunnen mooi gepolijst of grillig gevormd zijn. Cuppen: ‘Je kunt je voorstellen dat op een ruw en grillig gevormd korreltje atomen langer blijven kleven.’


IJs
Met de zogenoemde Monte Carlomethode, een techniek die Cuppen eerder voor haar promotieonderzoek naar kristalgroei gebruikte, kon ze aantonen dat waterstofmoleculen wel kunnen ontstaan als het oppervlak van de stofdeeltjes ruw en grillig is. De volgende stap, het onderwerp van haar Veni-onderzoek, is dat ze gaat onderzoeken hoe zich op de interstellaire stofdeeltjes ijs vormt. ‘Eerst ging het om losse waterstofatomen die waterstofmoleculen vormden. Nu gaat het om waterstof- en zuurstofatomen die op een stofdeeltje met elkaar reageren en water vormen. Dat water wordt onmiddellijk ijs, want het is in interstellaire wolken heel koud, zo’n 10 Kelvin**. De implicaties in dit onderzoek zijn anders, maar de techniek is hetzelfde.‘


Doorsnede van een grillig gevormd interstellair stofdeeltje met daarom heen een mantel van verschillende soorten ijs.

Straling
Met dit onderzoek is Cuppen weer dichterbij haar eigenlijke vakgebied, de kristalgroei. Ze probeert beter te begrijpen hoe de ijslagen zich vormen. Dat er binnen een interstellaire wolk veel ijs zit, is te verklaren, evenals het feit dat er aan de buitenkant weinig tot geen ijs zit. ‘Halverwege de wolk weten we door metingen, onder andere door werk van de astrochemiegroep in Leiden, hoeveel ijs er zit, maar om dat kwantitatief in een simulatie te reproduceren is moeilijk’, zegt Cuppen. ‘Aan de buitenkant van de wolk wordt veel van het ijs vernietigd door de straling van de sterren in de omgeving. Binnenin de wolk is het donkerder en krijgt het ijs kans zich te ontwikkelen.’

Gelaagde structuur
De interstellaire wolken zijn de kraamkamers van nieuwe zonnestelsels. ‘De vorming van ijs is daarbij de eerste stap’, vertelt Cuppen. ‘Het gaat overigens niet alleen om ijs van water. IJs is een verzamelnaam, daaronder valt ook ijs van koolmonoxide en andere moleculen.’ Het ijs vormt zich in een gelaagde structuur. Het is van belang te weten in welke volgorde het zich vormt en daarmee in welke volgorde het, als het verwarmd wordt, weer in de gasfase komt.

Vertalen
Cuppen werkt nauw samen met de experimentatoren van de Leidse Sterrewacht. In het laboratorium voor Astrofysica wordt ijs onder interstellaire condities nagebootst en onderzocht. De meeste condities worden daarbij feilloos gesimuleerd, alleen de dichtheden zijn vele malen hoger dan in een echte interstellaire wolk. In haar computersimulaties kan Cuppen zowel de experimenten bij hoge dichtheid in het laboratorium als de processen bij lage dichtheid in de ruimte nabootsen, door de verschillende parameters aan te passen. ‘Mijn simulaties verzorgen de link tussen de laboratoriumomstandigheden en wat er gebeurt in de interstellaire ruimte. De interactie met de mensen in het laboratorium vormt daarom een belangrijk onderdeel van mijn onderzoek.’ Er zijn bijzonder weinig groepen in de wereld die dit type experimenten kunnen doen. Daarom was Leiden een logische keuze.