Sterren geboren zien worden
De Leidse hoogleraar Ewine van Dishoeck toonde de aanwezigen van de academiedag natuurkunde van de KNAW hoe moleculen, sterren en planeten worden geboren in gigantische interstellaire stofwolken. De vorming van exoplaneten, planeten die buiten ons eigen zonnestelsel liggen, kregen extra aandacht want “exoplaneten nemen een speciale plek in de astronomie in”.
Ietwat saaie buitenwijk van de Melkweg
Ongeveer 1000 exoplaneten zijn nu ontdekt maar ze worden nog omgeven door raadselen. Van Dishoeck: “Waar worden deze exoplaneten geboren? Hoe uniek is ons zonnestelsel? En waar zouden we als mensen nog meer kunnen wonen? En wat betekent de locatie van ons zonnestelsel eigenlijk? Volgens Robbert Dijkgraaf ligt onze zon in een ietwat saaie buitenwijk van de Melkweg.”
Om het ontstaan van sterren en planeten te begrijpen is het belangrijk te weten wat er verder in de ruimte is. “De ruimte tussen de sterren is gevuld met een heel erg ijl gas, en in deze wolken van gas worden sterren geboren. W. Herschel omschreef de Orion nevel in 1789 al als “the chaotic material of future suns”. Een vroege aanname die juist bleek. “
Dark Clouds
Deze gaswolken, die ‘Dark Clouds’ genoemd worden, kunnen enkele lichtjaren groot zijn en hebben genoeg massa voor honderdduizenden of misschien zelfs miljoenen sterren. “Toch gebeurt dat niet”, vertelt van Dishoeck, “slechts een paar procent van de totale massa in een Dark Cloud wordt uiteindelijk een ster of planeet.”
Dark Clouds, die een temperatuur hebben van -263 graden Celsius bestaan voor 99 procent uit waterstof en voor één procent uit interstellair stof. “De dichtheid in een Dark Cloud is een miljoen keer minder dan vacuüm in het laboratorium. Het is een uniek chemisch en fysisch lab, waar dingen heel anders gebeuren dan hier op Aarde.”
Telescopen met zeer lange golflengte
“Deze wolken bestuderen we met telescopen met een zeer lange golflengte. Het beste zijn ruimtetelescopen, anders wordt teveel infrarood licht geblokkeerd door de atmosfeer. Op dit moment gebruiken we nog het Herschel Space Observatory, maar daar kan het elk moment mee afgelopen zijn.” De missie van de Herschel zou 3 jaar duren, maar ondertussen verzamelt hij al bijna vier jaar data.
In de Chileense Atacama woestijn staat de ‘Atacama Large Millimeter Array’ (ALMA), die vorige maand in gebruik is genomen, met de Nederlander Thijs de Graauw aan het roer. Het onderzoek dat daar gedaan wordt is multidisciplinair en draait om drie facetten die elkaar versterken. Computermodellen van de ruimte, onze eigen waarnemingen met telescopen en gegevens uit het laboratorium die de basisgegevens levert voor onze modellen. “Dit maakt het vakgebied ook interessant voor onderzoekers uit andere disciplines.”
Het volgen van het waterspoor
“De gegevens van het Herschel Space Observatory zijn erg nauwkeurig en als we de frequenties die we op die manier verkregen hebben vergelijken met die op Aarde weten we welke moleculen zich daar bevinden, bijvoorbeeld water, ethanol en suikers. We hebben nog geen prebiotische moleculen gevonden zoals delen van RNA of DNA.”
Hoe ontstaan in deze “interstellaire cocktail” moleculen? Moleculen vriezen vast aan kleine stofdeeltjes, bijna zoals rijp zich vormt in de winter. “Deze oppervlakchemie speelt een grote rol in het vormen van sterren. Water wordt in de ruimte gevormd op gas of deze kleine stofdeeltjes. Wij proberen met onze telescopen het waterspoor te volgen. Dat doen we met meer dan 70 onderzoekers in 30 instituten in het WISH project ‘Water in star-forming regions with Herschel’.
Als de watermoleculen zich hechten aan een stofdeeltje ontstaat er (al!) na 100.000 jaar een ijslaagje om het deeltje. Dat is weer de aanleiding voor complexere moleculen. Recht tegenover dit hechten van watermoleculen staat een andere kracht. Fotodesorptie, het botsen van deeltjes tegen het water, zorgt er voor dat een deel van de moleculen het stofdeeltje weer verlaat, maar netto groeit een ijslaagje meestal. Dit kan worden waargenomen doordat water oplicht als protosterren energie uitstorten in interstellaire wolken.
Schijven vol interstellair ijs
“Interstellaire wolken hebben ondanks hun gure omstandigheid een rijke chemische compositie”. Een wolk klapt op een gegeven moment in elkaar onder invloed van de zwaartekracht. Dan wordt een draaiende bal gevormd met een Saturnus-achtige schijf eromheen, maar in plaats van een planeet is het de centrale ster. Deze schijf ontwikkelt zich uiteindelijk tot planeten, zie ook het eerste figuur.
“Vrijwel alle jonge sterren zijn omgeven door deze schijven en bijna al deze protosterren zijn ongeveer even groot als ons zonnestelsel. De schijven hebben veelal de massa van 10 keer Jupiter of 1 procent van de massa van onze zon, ze zijn relatief heel klein en daar hebben we ALMA voor nodig.”
“Herschel ontdekte dat in een schijf genoeg water is voor 6000 Aardse Oceanen, ook is er suiker gevonden.” Dat kan ook worden teruggezien in kometen in ons zonnestelsel. De chemische samenstelling komt overeen met interstellair ijs. Komt ons Aardse water misschien ook van kometen? “op één komeet is precies dezelfde verhouding tussen ‘zwaar water’, water met extra neutronen, en ‘gewoon water’ als op Aarde. Het blijft dus zeker een mogelijkheid.”
Van schijf tot planeet
Het is nog niet bekend hoe de kleine deeltjes in de schijven rond protosterren van 10 micrometer precies uitgroeien tot planeten. Nienke van der Marel promoveert op de vorming van planeten en is extra geïnteresseerd in deze onbekende stap. “Er moet een hoop gebeuren om van een paar micrometer tot duizenden kilometers te groeien, we kunnen het eindresultaat goed zien én we kunnen het stof zien maar alles wat er tussenin zit is niet waar te nemen”.
“Stofdeeltjes in de ruimte botsen en groeien op deze manier, maar ze kunnen tijdens een botsing ook uiteenspatten. Stofdeeltjes ondervinden twee krachten, de zwaartekracht van de ster en een uitgaande kracht die het deeltje van de ster wegdrukt en die er voor zorgt dat het deeltje langzamer gaat bewegen. Uiteindelijk gaan deze deeltjes langzaam ‘naar binnen’ bewegen.”
Hoe krijg je deeltjes die groter zijn dan een millimeter? “Misschien door ‘pressure bumps’, plekken met hoge druk buiten de sterren. De eerste planeet die gevormd wordt duwt stof weg en creëert zo een druk-maximum, een ‘particle trap’ waar de grote stofdeeltjes heengaan”. In het tweede figuur is te zien dat een planeet als een soort stofzuiger het extra deeltjes op uit de schijf opzuigt. Hier kan het stof groeien tot ongeveer een kilometer in doorsnee. “En als je eenmaal één planeet hebt volgen er meer”.
