Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Astrochemici hebben ijs in de gaten - ijs in de ruimte kan ook poreus zijn

Astronomen uit Leiden en Groningen hebben ontdekt dat ijs in de ruimte veel poreuzer kan zijn dan tot nu toe werd gedacht. Dat heeft gevolgen voor de efficiëntie waarmee complexe moleculen kunnen ontstaan. Het onderzoeksresultaat is vandaag gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics.

Afbeelding: Een stofdeeltje in de ruimte, typisch een tiende micrometer groot en met een laagje ijs omhuld. De structuur van het ijs bepaalt het catalytisch vermogen om nieuwe moleculen te maken. Het lijkt erop dat de beschikbare oppervlakte wel eens veel groter zou kunnen zijn dan tot nu toe aangenomen.

IJslaagjes van enkele tientallen molecuullagen dik

Het aardse tafereel is bekend: het vriest, de lucht is droog en autoruiten bevriezen. In de ruimte gebeurt iets vergelijkbaars. In de ijle lucht rondom en tussen de sterren hebben stofdeeltjes temperaturen van zo’n 260 graden onder nul. Gasmoleculen die in de buurt van zo’n stofdeeltje komen, vriezen vast, en zo ontstaan in de loop van miljoenen jaren ijslaagjes van enkele tientallen molecuullagen dik. In een verder ijle ruimte ontstaan op deze manier molecuulreservoirtjes. De moleculen op zo’n stofdeeltje zijn mobiel, ze schaatsen als het ware over het ijs en kunnen botsen, waarbij nieuwe en veelal complexere moleculen ontstaan. Vaak zijn dat moleculen die nodig zijn als bouwsteen voor aminozuren en suikers.

Gaten in het ijs

Tot nu toe werd aangenomen dat dergelijke reacties alleen aan het oppervlak van het ijs plaatsvinden, omdat astronomische waarnemingen geen bewijs laten zien voor gaten in het ijs. Metingen in het laboratorium voor astrofysica aan de Sterrewacht Leiden laten een ander beeld zien: interstellair ijs is niet per se compact, maar kan ook poreus zijn.

Watermoleculen meten met infrarood licht

De astrochemici onderzochten poreus ijs met infrarood licht. Eerste auteur Jean-Baptiste Bossa (postdoc in Leiden): ‘Interstellair ijs bestaat vooral uit waterijs. Watermoleculen in een open holte kun je meten. Ze reageren op een unieke manier op licht, of dat nu afkomstig is van een laser in het lab of een ster in de ruimte. Maar in data vanuit de ruimte ontbreekt dat signaal, en daarom wordt aangenomen dat ijs in de ruimte compact is’. ‘Dat ligt ook voor de hand’, zeggen de coauteurs Harold Linnartz en Xander Tielens (Leiden), ‘want door hitte of inwerking van ultraviolet licht kunnen moleculen herschikken en daarbij zoeken naar de meest stabiele, dus minst poreuze structuur.’

Nieuwe meetmethode met een laser

De onderzoekers uit Leiden en Groningen ontdekten met een nieuwe meetmethode dat ijs waarvoor geen porositeitssignaal zichtbaar is, nog wel steeds verder kan worden ingedrukt, en dus nog holle ruimtes moet bevatten. Ze keken met een laser naar licht dat van een ijsoppervlak reflecteert. Om precies te weten te komen in welke mate het ijs poreus is wordt nu met behulp van simulaties achterhaald hoe holtes in ijs zich gedragen. Dat is belangrijk om te weten, legt Stéphanie Cazaux (Kapteyn Instituut Groningen) uit, want ‘een geringe mate van poreusheid levert al ontzettend veel extra oppervlak op, en daarmee wordt het chemisch versterkend effect van een stofdeeltje behoorlijk verhoogd’.

Meer kennis over opbouw en structuur van het ijs

De mate van porositeit beïnvloedt ook andere processen, zoals de efficiëntie waarmee moleculen van verschillende origine (bijvoorbeeld water en kooldioxide) met elkaar kunnen mengen. Bossa: ‘Tot nu toe werd vooral gekeken naar de vraag welke moleculen de bouwstenen van interstellair ijs vormen, maar we zijn nu een stap verder; we snappen steeds beter hoe het ijs is opgebouwd en wat de structuur is’.