Grootste database voor ruimte-ijs ooit: ‘een soort telefoonboek, maar dan voor ijs’
Het is de grootste database voor ruimte-ijs ooit: De Leiden Ice Database for Astrochemistry: LIDA. LIDA is gemaakt door astrofysici van de Leidse Sterrewacht en omvat niet alleen honderden meetgegevens, maar ook programma’s om astronomische waarnemingen te onderzoeken en nieuwe metingen met de James Webb Space Telescope (JWST) voor te bereiden. Het bijbehorende artikel is geselecteerd als highlight in het wetenschappelijk tijdschrift Astronomy & Astrophysics.
‘Het ruimte-ijs dat wij onderzoeken, bevindt zich in heel dunne laagjes om kleine stofdeeltjes die door de ruimte zweven,’ vertelt Will Rocha van het Leids Laboratorium voor Astrofysica en eerste auteur van het LIDA-artikel. ‘De moleculen die in dit ruimte-ijs ontstaan, vormen de basis van chemische stoffen die uiteindelijk de bouwstenen zijn voor het leven (zie infokader). Denk hierbij aan organische moleculen zoals suikers en aminozuren. Het is daarom belangrijk een goed beeld te hebben van waar zich in de ruimte dit ijs bevindt, wat de samenstelling ervan is en hoeveel ijs er voorkomt. Uiteindelijk bepaalt dit mede de chemische samenstelling van planeten en alles daarop.’
Ruimte-ijs is meer dan alleen bevroren water
Ijs in de ruimte bestaat niet alleen uit water, maar ook uit andere bevroren stoffen, zoals koolstofdioxide, methaan, methanol en ammoniak. Deze stoffen ontstaan bij extreem lage temperaturen (zo’n -260°C) op ruimtestofjes van enkele micrometers groot. Hier vormen ze microscopisch dunne laagjes ijs. Je vindt dit ijs overal waar het koud genoeg is in de ruimte tussen en rondom de sterren.
Het ijs op de stofjes wordt constant gebombardeerd door invallende atomen, elektronen, ultraviolette fotonen en kosmische deeltjes. Hierdoor ontstaan zeer reactieve moleculen in het ijs: vrije radicalen. Die reageren vervolgens met andere deeltjes en zo ontstaan steeds grotere moleculen en uiteindelijk ook complexe organische moleculen: de bouwstenen voor het leven.
Ruimte-ijs namaken in een Leids lab
‘Wanneer je wilt weten welk ijs er in de ruimte aanwezig is, moet je dat ijs eerst kunnen herkennen,’ aldus Rocha. ‘In ons laboratorium maken we daarom ruimte-ijs na en onderzoeken we hoe verschillende soorten ijs de golflengtes van het (infrarood)licht veranderen. Welke lichtkleuren worden geabsorbeerd, en welke blijven over? De verzameling van kleuren die lijken te ontbreken, vormen samen een bijzonder patroon dat we een spectrum noemen. Elk soort molecuul absorbeert het licht op een andere manier en heeft dus een uniek absorptiespectrum, een soort barcode.’
Maar dat is nog niet alles. Rocha: ‘Een absorptiespectrum wordt niet alleen bepaald door de aanwezige moleculen, maar ook door temperatuur of de wisselwerking met andere moleculen in het ijs. Door in het lab systematisch al deze spectra te meten, bouwen we langzaam maar zeker een database op met precieze gegevens. Die zijn nodig om de signalen uit de ruimte te interpreteren.’
Met de James Webb Space Telescope kijken naar het grotere plaatje
‘Het doel van LIDA is vooral om de astronomische gemeenschap van data te voorzien, zie het als een soort telefoonboek, maar dan voor ijs,’ vertelt professor Harold Linnartz, hoofd van het Laboratorium voor Astrofysica. Maar verzamelen van data is niet het enige doel. ‘Tegelijkertijd proberen we ook het grotere plaatje te doorgronden, te begrijpen wat met elkaar kan reageren, hoe snel en welke factoren daar een rol bij spelen, bijvoorbeeld temperatuur of de intensiteit van de straling in de ruimte. Welke moleculen zijn er aanwezig in gaswolken en welke daarvan zijn onstaan in het ijs? En hoe bepaalt dit uiteindelijk de chemische samenstelling van een planeetvormende schijf? Daarvoor heb je heel precieze astronomische waarnemingen nodig. Daarom zijn we heel blij met de nieuwe James Webb Space Telescope (JWST).’
'Er zijn zelfs onderzoekers die met onze database "per ongeluk" ijs vinden, het is echt overal in de ruimte te vinden.'
Stay tuned voor een ruimte-ijsprimeur
Mede-auteur Melissa McClure is hoofdonderzoeker bij Ice Age, één van de eerste projecten met data van de JWST. Ze onderzoekt de evolutie van ijs van donkere stofwolken tot aan planeetvormende schijven. ‘Een voorwaarde om als een van de eersten met de JWST te mogen meten, was dat we alle relevante ijsdata beschikbaar zouden maken voor iedereen. LIDA is daarvan het resultaat. Heel veel collega’s maken er al gebruik van. Er zijn zelfs onderzoeksgroepen die nu “per ongeluk” ijs zien, omdat ijs echt overal te vinden is in de ruimte. Binnenkort publiceren we onze eerste resultaten. Een van de highlights is de mogelijke ontdekking van ijs in donkere wolken in de ruimte, mogelijk zelfs met complexe organische moleculen. Stay tuned!
Professor Ewine van Dishoeck gebruikt LIDA om onderzoek te doen met data van MIRI: een van de meetinstrumenten aan boord van JWST. Nederland leverde hier een belangrijke bijdrage aan. ‘Het wordt steeds duidelijker dat complexe organische moleculen hun oorsprong moeten hebben op ijzige stofdeeltjes. Alleen zo kun je verklaren waarom veel stervormingsgebieden ongeveer dezelfde relatieve dichtheden van verschillende moleculen hebben: ze delen een gemeenschappelijke chemische geschiedenis.’
Een flinke uitdaging, maar het fundament staat
Het was volgens Rocha nog een flinke uitdaging om de database online te krijgen. ‘Niet alleen wetenschappelijk, maar ook programmeer-technisch. Het moet allemaal veilig in elkaar zitten. In de nabije toekomst willen we verder uitbreiden. Meer ijsspectra, ook in samenwerking met andere onderzoeksgroepen en gedetailleerde informatie over het gedrag van licht in ijs. Zo vertelt de manier waarop het licht in een ijs gebroken wordt, bijvoorbeeld iets over de structuur van dat ijs. Ook zullen we de software blijven updaten om nieuwe astronomische spectra te interpreteren of JWST-metingen te simuleren. Het fundament ligt er, tijd om verder te bouwen. We zijn blij dat onze collega’s LIDA al weten te vinden.’
Database en publicatie
De LIDA-database is vrij toegankelijk. Neem een kijkje op https://icedb.strw.leidenuniv.nl.
Lees hier de wetenschappelijke publicatie in Astronomy & Astrophysics: LIDA: The Leiden Ice Database for Astrochemistry, 2022. W. R. M. Rocha, M. G. Rachid, B. Olsthoorn, E. F. van Dishoeck, M. K. McClure and H. Linnartz. A&A, 668 (2022) A63
Hulp van tientallen studenten en een nieuwe opstelling
Vele tientallen studenten, promovendi, postdocs en andere wetenschappers hebben gedurende drie decennia data gemeten in het lab. ‘Vooral een groot aantal bachelorstudenten, maar ook afstudeerders van HBO-instellingen,’ aldus Linnartz. ‘Daarbij is ook de ondersteuning door NOVA, de Nederlandse Onderzoeksschool voor Astronomie, en NWO essentieel geweest.’ In directe aanloop naar de JWST-metingen, bouwde promovendus Marina Rachid in het lab een nieuwe opstelling. Rachid: ‘De afgelopen jaren heb ik allerlei bevroren complexe moleculen gemeten. Het is prachtig dat we nu in het laatste jaar van mijn promotiewerk deze data rechtstreeks met de spectra van de James Webb telescoop kunnen vergelijken.’ Inmiddels is een nieuwe promovendus, Katie Slavicinska (op de foto), gestart. Zij zal de komende jaren op zoek gaan naar nieuwe soorten ijs.