Home
People
Science Groups
Press Releases
Outreach
PR Images
WISH Presentations
WISH Posters
WISH Publications
Photos
Source Lists
Links

Intranet



Herschel

 
   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)
 


Terug naar Outreach



Home | About | People | Science Groups | Outreach | Public | Links |

Webpage is hosted at Leiden Observatory. For questions, remarks or updates, please email Umut A. Yildiz