Speuren naar ruimte-ijs en de bouwstenen van het leven
Een ruimtetelescoop van wereldklasse, een astrolab dat ruimte-ijs maakt en de bouwstenen van het leven… Het IceAge-project bevat alle ingrediënten van een zeer fascinerend onderzoeksproject. Leidse astronomen Melissa McClure, Harold Linnartz en Will Rocha mogen als een van de eerste wetenschappers ter wereld aan de slag met data van de onlangs gelanceerde James Webb ruimtetelescoop. Hun project Ice Age is 1 van de 13 geselecteerde Early Release science programma’s.
De bouwstenen van het leven
De moleculen die de bouwstenen van het leven vormen, ontstaan lang voor planeten zelf. Ze ontstaan diep in wolken van gas en stof. Deze wolken zullen uiteindelijk ineenstorten en veranderen in planeetvormende schijven rondom jonge sterren. In de barre kou van de ruimte raken stofdeeltjes in deze wolken bedekt met een laagje ijs. Op deze ijzige stofdeeltjes ontwikkelen zich in de loop van tijd steeds complexere moleculen. De precieze samenstelling van het ijs hangt af van allerlei omgevingsfactoren.
Een kickstart voor het leven op aarde?
‘Met IceAge gaan we de evolutie van ijzige stofdeeltjes in de ruimte bestuderen tijdens alle fases van het proces waarin sterren en planeten ontstaan,’ zegt McClure, hoofdonderzoeker van het programma. ‘Op die manier kunnen we erachter komen hoeveel van elke ijssoort er tijdens deze fases in moleculaire wolken aanwezig is. Welke complexe moleculen overleven het stervormingsproces en bereiken ongeschonden de planeetvormende schijf? Want dat zijn de moleculen die aan boord van kometen op een jonge planeet terecht kunnen komen. Daar kunnen ze het ontstaan van leven zoals wij dat kennen een kickstart geven.’
Snapshots van het begin tot het eind
Voor het IceAge-project zal Webb inzoomen op een compact gebied waar veel sterren vormen. Hier kunnen astronomen kijken naar ijssoorten in alle verschillende stadia van het stervormingsproces – van de kern van de moleculaire wolk tot de planeetvormende schijven waarin zich uiteindelijk ook kometen zullen vormen. McClure: ‘Op deze manier kan Webb in relatief korte tijd snapshots verzamelen van het begin tot het eind van dit proces, en zo alle data verzamelen die we nodig hebben.’
'Een spectrum is een unieke vingerafdruk die ons meer vertelt over de samenstelling van het ijs'
Unieke ijzige vingerafdrukken
Hiervoor vangt Webb het infrarode licht dat de ijsdeeltjes uitstralen vanuit verschillende plekken in het gebied. Daarna ontleedt Webb het licht in de golflengtes waaruit het is opgebouwd, zodat een zogenaamd infraroodspectrum ontstaat. ‘Elke ijssoort heeft een andere moleculaire structuur, en daardoor een karakteristiek spectrum,’ legt McClure uit. ‘Het is als een unieke vingerafdruk die we kunnen gebruiken om meer te weten te komen over de samenstelling van het ijs op verschillende locaties en momenten in de tijd.’
Waarom Webb de enige geschikte kandidaat is
Webb is de perfecte – en enige – telescoop die geschikt is voor deze missie. Ten eerste omdat hij hoog in de ruimte zweeft: hier worden de inkomende infraroodsignalen niet geblokkeerd door de atmosfeer van de aarde. Webb kan dus naar een veel breder scala aan golflengtes kijken dan telescopen op de grond. ‘Bovendien is Webb ook veel gevoeliger dan al zijn voorganger in de ruimte,’ aldus McClure. ‘Tel daarbij op de hogere spectrale resolutie en het unieke vermogen om een groot gebied in één keer in kaart te brengen, en je begrijpt waarom we zo blij zijn met Webb.’
Hoe maak je ruimte-ijs?
Maar hoe weet je welke vingerafdruk bij welke ijssoort hoort? Dat is waar mede-onderzoeksleider Linnartz en IceAge postdoc Rocha in het spel komen. In het Leids Laboratorium voor Astrofysica maken ze bij extreem lage druk en temperaturen net boven het absolute nulpunt (~ -263°C) hun eigen ruimte-ijs.
Linnartz: ‘In ons lab hebben we volledige controle over alle variabelen die van invloed zijn op de samenstelling van het ijs, zoals de temperatuur en porositeit, en kunnen we verschillende mengsels van water en andere ijsbestanddelen maken. Vervolgens meten we nauwkeurig de spectra van deze ijssoorten, zodat we deze kunnen vergelijken met de spectra die Webb ons binnenkort zal leveren.’
Software om het bestaan van in het lab gebouwde moleculen te bewijzen
Rocha ontwikkelde de speciale software om dit te doen. ‘Door de waarnemingen van Webb en onze labspectra over elkaar te leggen, kunnen we zoeken naar overeenkomsten om zo de aanwezigheid – en hoeveelheid - van specifieke moleculen in de ruimte te bewijzen. En dat vertelt ons ook weer iets over de omstandigheden van de omgeving waarin ze zijn gevormd.’
‘Omdat we afhankelijk zijn van laboratoriumspectra waarmee we de waarnemingen kunnen vergelijken, is ons werk in het lab essentieel,’ zegt Linnartz. ‘Om te zorgen dat onze uiteindelijke resultaten niet worden beperkt door de beschikbare kennis uit het lab is het zaak dat wij van zoveel mogelijk ijssoorten het spectrum beschrijven.’
Database met infraroodspectra van ijs
Rocha’s software is gratis beschikbaar in de Leiden Ice Database for Astrochemistry (LIDA). ). In diezelfde database hebben Rocha en Linnartz ook een verzameling van maar liefst 1061 infraroodspectra van verschillende ijssoorten gepubliceerd. Linnartz: ‘Deze database is belangrijk voor allerlei nevenprojecten van IceAge. Dat was ook een van de redenen dat NASA ons project heeft uitgekozen als een van de dertien Early Release projecten.’ McClure legt uit: ‘IceAge is het perfecte project om mee van start te gaan, omdat het alle observatie-instrumenten van Webb test en ook waardevolle voorbeelddata levert die de hele gemeenschap kan gebruiken.’
'Space Ice is echt een hot topic!'
Eerste Webb-data deze zomer verwacht
Op 24 januari zal Webb naar verwachting zijn eindbestemming bereiken. Daarna moeten de astronomen nog een laatste keer geduldig zijn, om het systeem op de juiste temperatuur te laten komen en de instrumenten te laten kalibreren. Tussen juni en juli worden de eerste resultaten verwacht. McClure: ‘We kunnen niet wachten om aan de slag te gaan en onze eerste resultaten te presenteren.’ Linnartz: ‘Hopelijk inspireren we daarmee weer vele toekomstige projecten. Ruimte-ijs is momenteel een hot topic!’
Van workshop tot vooraanstaand wetenschapsproject
Linnartz: 'Het oorspronkelijke idee voor Ice Age is ontstaan tijdens een workshop van het Leidse Lorentz Center. We nodigden deskundigen uit op het gebied van ruimte-ijs en in plaats van een paper, besloten we te werken aan een voorstel voor een Early Release Project. Van de meer dan 100 voorstellen die wereldwijd werden ingediend, kregen er 13 de kans om voor het eerst met Webb aan de slag te gaan. Het is geweldig dat een workshop heeft geleid tot zo'n vooraanstaand onderzoeksproject.'