Chemie tussen sterren en planeten
In de grote gaswolken rondom jonge sterren vinden onder extreme omstandigheden chemische reacties plaats. Daarbij ontstaan zowel kleine moleculen, zoals water en keukenzout, als grote, complexe moleculen die kunnen fungeren als bouwstenen van het leven. Deze astrochemie onderzoeken we in Leiden met unieke telescopen, op aarde en in de ruimte, en in het Laboratorium voor Astrofysica.
Min tweehonderd graden Celsius
Met vier hoogleraren - Ewine van Dishoeck, Xander Tielens, Harold Linnartz en Michiel Hogerheijde - bezit de Universiteit Leiden één van de grootste academische astrochemiegroepen ter wereld.
Astrochemie vindt plaats in de ruimte tussen en rondom sterren. In die ruimte heerst een bijna-vacuüm; de gasdichtheden daar zijn bijzonder laag, de straling is er intens en temperaturen zijn er ruim onder de min tweehonderd graden Celsius. Dit is geen omgeving waar je een belangrijke rol voor de scheikunde verwacht. Het tegendeel is echter waar. Weliswaar verlopen individuele chemische reacties in de ruimte heel traag, maar het gaat om gigantische volumes, en processen duren vaak miljoenen jaren. Het netto resultaat is daardoor een interessante mix is van allerlei verschillende stoffen: kleine en grote moleculen, stabiel en hoog reactief, en deels prebiotisch van belang. Ook zijn er complexe organische moleculen gevonden waarvan vermoed wordt dat ze de eerste bouwstenen van het leven op aarde vormden – en wellicht ook elders.
Infrarood en millimetergolven
Ewine van Dishoeck, hoogleraar Moleculaire Astrofysica, is een van de grondleggers van de moderne astrochemie. In de loop der tijd zijn steeds complexere koolstofhoudende moleculen ontdekt in de ruimte. Het is mogelijk om dergelijke organische moleculen – maar bijvoorbeeld ook water – op honderden lichtjaren afstand te identificeren, omdat die stoffen infrarode straling en millimetergolven uitzenden. Elke molecuulsoort heeft zijn eigen spectrum, een soort vingerafdruk bestaande uit specifieke kleuren licht. Om die te meten, heb je bijzonder gevoelige telescopen nodig zoals ALMA, de nieuwe wereldwijde telescoop bestaande uit 66 grote schotels in Chili, waarmee veel preciezer dan ooit tevoren het heelal kan worden onderzocht. Samen met collega hoogleraar Michiel Hogerheijde gebruikt Van Dishoeck ALMA om naar chemische processen rond jonge sterren te kijken en te onderzoeken hoe daar nieuwe planeten ontstaan.
De benodigde spectrale vingerafdrukken worden gemeten in het Leidse Laboratorium voor Astrofysica. Hier wordt ook onderzocht hoe moleculen in de ruimte kunnen ontstaan, bijvoorbeeld op ijzige stofdeeltjes die in gaswolken in de ruimte voorkomen. Dit is het werkterrein van Harold Linnartz, hoogleraar laboratorium astrofysica. Dit maakt het mogelijk om de data van grote telescopen te begrijpen: wat zien we in de ruimte en waarom kunnen we dat daar zien? Xander Tielens, hoogleraar van het interstellaire medium, richt zijn onderzoek op een bijzonder soort moleculen; PAKs, polycyclische aromatische koolwaterstoffen. Deze grote moleculen zitten als fijnstof in het uitlaatgas van een auto, maar zijn ook overal in de ruimte aanwezig als overblijfsel van exploderende sterren, waar ze een belangrijke chemische rol spelen.
Stukjes van de grote puzzel
De data uit het Laboratorium voor Astrofysica, de waarnemingen met ALMA, en spoedig ook met de James Webb-ruimtetelescoop, leveren gedetailleerde stukjes op van een grote puzzel die de astrochemici in Leiden willen oplossen. Hoe ziet de chemische evolutie van het heelal eruit? Bepaalt de chemie in interstellaire wolken hoe de atmosfeer van een planeet eruit komt te zien? Is het ontstaan van het leven gekoppeld aan de processen die plaatsvinden op minuscule ijzige stofdeeltjes?Kunnen PAKs ons meer leren over hoe grote moleculen zich in de ruimte gedragen?
De aarde is voor ons bijzonder, maar misschien helemaal niet zo uniek, als blijkt dat ieder planetenstelsel in ons Melkwegstelsel en ver daarbuiten een vergelijkbare chemische evolutie heeft doorlopen.