Petrochemische fabriek tussen de sterren

Raadselachtige banden in het spectrum van sterren wijzen er op dat er materie in de ruimte zweeft. Maar wat voor materie, en hoe is die ontstaan? Het lijkt er nu op dat het raadsel is opgehelderd.

Bijna elk artikel erover begint met de opmerking dat zóveel jaar na hun ontdekking hun herkomst nog steeds onbekend is. We hebben het over de zogeheten diffuse interstellaire banden. Dit zijn zwakke absorptiebanden in spectra van sterren die ontstaan door materie in de ruimte tussen die sterren. Maar om wat voor materie gaat het dan? Al twee generaties astronomen stellen zich die vraag, maar nu lijkt eindelijk een tipje van de sluier rond dit raadsel te worden opgelicht.

Het spectrum van een ster wordt wel eens "de schatkamer van de astronoom' genoemd. Er is dan ook heel veel informatie uit af te leiden: over de chemische stoffen in de atmosfeer van de ster en over zijn temperatuur, rotatie, ruimtelijke snelheid en magnetische veld. Het spectrum kan ook informatie geven over de materie die zich tussen de ster en de aarde bevindt. Deze materie introduceert namelijk details in het spectrum die niet van de ster zelf afkomstig zijn.

De ruimte tussen de sterren is weliswaar veel leger dan het beste aardse vacuüm, maar toch niet helemaal leeg. In die onmetelijke ruimte bevindt zich ijl gas en stof. Het gas bestaat voor het overgrote deel uit waterstof en helium, maar in de afgelopen decennia zijn ook vele andere atomen en moleculen gevonden. Uit atomen die door uitgebluste sterren de ruimte in worden geblazen, worden allerlei verbindingen gemaakt: van het eenvoudige koolmonoxyde tot het ingewikkelde nitril HC11N.

De stofdeeltje, die de afmetingen hebben van rookdeeltjes (ongeveer 0,2 micron) verraden hun aanwezigheid doordat zij het licht van verre sterren verzwakken en wat roder maken. Dit laatste is een gevolg van het feit dat zij het blauwe licht meer verzwakken dan het rood (net zoals in de aardatmosfeer met zonlicht gebeurt: vandaar de blauwe kleur van de hemel). In gebieden waar het stof geconcentreerd is in wolken, ziet men deze als donkere vlekken aan de hemel: daar wordt vrijwel al het licht van de sterren tegengehouden.

In de jaren twintig werden in de spectra van enkele sterren "breedbandige' absorptiedetails waargenomen die niet op deze manier konden worden verklaard. Het was duidelijk dat zij niet in de atmosfeer van sterren ontstonden, dus hun oorsprong moesten hebben in de interstellaire ruimte. Maar ze weken duidelijk af van de scherpe interstellaire absorptielijnen. En deze diffuse interstellaire banden konden met geen enkele bekende chemische stof in verband worden gebracht.

Twee scholen

In de pogingen om deze banden te verklaren kan men twee scholen onderscheiden. Volgens de ene worden de absorpties veroorzaakt door stofdeeltjes die door bepaalde atomen zijn "verontreinigd'. Volgens de andere gaat het om grote moleculen die vrij in de ruimte zweven. In de afgelopen jaren heeft de tweede school terrein gewonnen, omdat er sterke aanwijzingen zijn dat er in de ruimte tussen de sterren ook grote, stabiele organische moleculen kunnen ontstaan. De interstellaire ruimte blijkt één grote petrochemische fabriek.

Op de Leidse Sterrewacht is al jarenlang onderzoek verricht naar het mogelijke ontstaan van zulke verbindingen in de méér dan ijskoude ruimte tussen de sterren. Het blijkt dat het stof in interstellaire wolken hierbij een belangrijke rol speelt. Doordat de stofjes koud zijn, kunnen er gemakkelijk atomen en kleine moleculen aan vast vriezen en met het omringende waterstofgas reageren. Rond elk stofje ontstaat dan een manteltje van waterijs, met sporen van ammoniak, methaan en koolmonoxyde. Deze rol van de stofjes kan men vergelijken met die van de ijskristallen in stratosferische wolken op aarde (die een rol spelen bij de processen van ozonafbraak).

Laboratoriumexperimenten in Leiden en Catania (Italië) hebben aangetoond dat er vervolgens onder invloed van ultraviolette straling fotochemische reacties in het ijs kunnen plaatsvinden. Er ontstaan dan reactieve moleculen (radikalen), die met elkaar reageren zodra het ijs verdampt. Op de stofjes blijft dan een organisch residu achter dat uit betrekkelijk kleine moleculen bestaat: het zogeheten brown stuff.

Als de stofjes terecht komen in minder dichte wolken, worden ze verder bestookt door de ultraviolette straling van sterren. De fotochemische reacties die dan plaatsvinden maken de moleculen gemiddeld groter. Er kunnen dan onder andere polycylische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) ontstaan: stabiele verbindingen van verschillende benzeenringen (op aarde onder andere voorkomend in uitlaatgassen). De mantels kunnen door onderlinge botsingen van stofjes stukbreken, waardoor de PAK's en aanverwante moleculen vrij komen.

In de afgelopen jaren zijn er steeds sterkere aanwijzingen gekomen dat zulke geïoniseerde PAK's verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor het ontstaan van de mysterieuze diffuse absorptiebanden. Dus ging men in laboratoria driftig zoeken naar die koolwaterstoffen die het juiste spectrum zouden kunnen veroorzaken. Maar geen enkele band kon met zekerheid worden geïdentificeerd. Het bestuderen van de laboratoriaspectra van zulke verbindingen bij de extreem lage temperaturen die er in de interstellaire ruimte heersen (niet ver boven het absolute nulpunt) is dan ook niet eenvoudig.

Jenniskens

Waar het volgens de Leidse astronoom Peter Jenniskens ook aan schortte was een goede en complete lijst van absorpties in een breed golflengtegebied. Die zou een grotere kans bieden om een laboratoriumspectrum met zulke banden te kunnen identificeren. Een zoektocht door Jenniskens en de Franse astronoom François-Xavier Désert op het Observatoire de Haute Provence leidde onlangs tot de ontdekking van 98 nieuwe banden en 30 mogelijke kandidaten. Het totale aantal werd daarmee in één keer verdubbeld.

Toen Jenniskens in december op zijn onderzoek naar Organische materie in interstellaire extinctie promoveerde, kon hij nog net vermelden dat nu de identiteit van de eerste interstellaire banden leek te zijn vastgesteld. De Amerikaanse astronomen Farid Salama en Louis Allamandola hadden de spectra van twee eenvoudige PAK-ionen gemeten, naftaleen (C10H8) en pyreen (C16H10), bij temperaturen rond 260 graden onder nul. Zes van de bekende interstellaire banden bleken samen te vallen met absorptiebanden van naftaleen (Astrophys. J. 359, p. 301). En de meest opvallende interstellaire band viel vrijwel samen met de sterkste absorptieband van pyreen (Nature 385, p. 42).

De twee Amerikanen wijzen er op dat één molecuul niet alle diffuse banden teweeg kan brengen: geen enkel molecuul heeft zo'n ingewikkeld absorptiespectrum. Waarschijnlijk gaat het dus om een mengsel van verschillende soorten PAK-ionen. Zij dringen er op aan om aan de hemel te gaan zoeken naar de drie diffuse banden die óók op het naftaleen-ion zouden moeten wijzen. Op het moment dat zij die suggestie publiceerden wisten zij niet dat één van die banden al tijdens de speurtocht van Jenniskens en Désert was ontdekt!

Te voorbarig

Als de polycyclische aromatische koolwaterstoffen inderdaad verantwoordelijk zijn voor het raadsel van de diffuse banden, dan zou dit betekenen dat deze koolwaterstoffen overal in de ruimte zouden moeten voorkomen. Na waterstof en koolmonoxyde zouden ze het meest voorkomende molecuul vormen. Maar die conclusie is nog te voorbarig. Want een recent onderzoek aan coroneen (C24H12), een andere PAK, liet géén correlatie zien met een interstellaire band. Deze PAK zou dus afvallen.

Bovendien is intussen ook nog de hulp ingeroepen van de onlangs ontdekte fullerenen of "buckyballen': zeer stabiele, voetbalvormige moleculen die uit zestig koolstofatomen bestaan. Volgens de Schotse astronoom Adrian Webster zouden de interstellaire banden afkomstig kunnen zijn van gehydrogeneerde fullerenen, dat wil zeggen fullerenen waaraan zich waterstofatomen hebben gehecht (Monthly Notices R.A.S. 255, 41p).

Webster veronderstelt dat de mate van hydrogenering (dus het aantal waterstofatomen dat zich vasthecht) afhangt van de fysische en chemische omstandigheden die ter plekke in de ruimte heersen. Daardoor zou niet alleen het bestaan van families van interstellaire banden kunnen worden verklaard, maar ook de mate waarin hun intensiteit van plaats tot plaats in de ruimte varieert. Maar omdat van het spectrum van deze moleculen, door Webster fulleranen genoemd, nog vrijwel niets bekend is, is deze verklaring nog een zuiver theoretische.