Het universum in een handvol stof; In meteorieten vinden astronomen oertijd van zonnestelsel terug

Kijken naar de sterren en ze ook aanraken. Astronomen kunnen dat, dankzij oeroud stof.

ASTRONOMEN HEBBEN TEGENWOORDIG de mogelijkheid om theorieën over processen in en rond sterren te toetsen aan de resultaten van metingen aan materiaal dat daadwerkelijk afkomstig is van de sterren. Het materiaal is ouder dan het zonnestelsel - ouder dan 4,6 miljard jaar - en wordt binnen de veilige bescherming van meteorieten op aarde afgeleverd.

De aarde en de andere planeten zijn ontstaan uit een kosmische wolk van waterstofgas, helium en geringere hoeveelheden zwaardere elementen. Waterstof en helium dateren al uit de oertijd van het heelal, maar alle andere elementen zijn sindsdien door kernfusiereacties geproduceerd in het inwendige van sterren en later de ruimte in geblazen. Tijdens het ontstaan van het zonnestelsel werd het materiaal van de oerwolk grondig gemengd, waardoor de atomen waaruit gesteenten, zeeën, lucht en wijzelf bestaan geen 'herinnering' meer dragen aan de sterren waarin zij zijn ontstaan. Maar er zijn uitzonderingen.

Dagelijks vallen vele tonnen aan meteorieten op aarde. Ongeveer 85 procent hiervan zijn chondrieten: steenmeteorieten die kleine insluitsels (chondrulen) bevatten. Hun chemische samenstelling is vrijwel gelijk aan die van de zon en daarom wordt algemeen aangenomen dat zij - tezamen met de deels uit ijs bestaande kometen - het oudste en meest oorspronkelijke materiaal vertegenwoordigen dat ooit in ons zonnestelsel is ontstaan.

DIAMANTKRISTALLEN

Al in de jaren zestig ontdekten onderzoekers van de universiteit van Californië in Berkeley dat er met sommige meteorieten iets vreemds aan de hand was. Hun koolstof bevatte een combinatie van isotopen van krypton en xenon die in de overige materie in het zonnestelsel niet voorkwam. Er was een periode van twintig jaar speurwerk nodig om te kunnen vaststellen waar die isotopen zich precies in de meteorieten bevonden. In 1987 maakten Edward Anders en zijn medewerkers, van de Universiteit van Chicago, bekend dat zij in diamantkristallen zaten. De ontdekking had zo lang op zich laten wachten doordat de kristallen slechts een paar nanometer groot waren en in concentraties van ongeveer één op een miljoen in de meteoriet waren verspreid. Veilig ingekapseld in planetoïden hadden ze het tumult van de geboorte van het zonnestelsel doorstaan, om later via de brokstukken daarvan - meteorieten - op aarde te belanden.

In de daaropvolgende jaren werden s nog andere 'présolaire insluitsels' in meteorieten gevonden, zoals van siliciumcarbide, grafiet, aluminiumoxide (kurund) en siliciumnitride. Van deze hittebestendigde deeltjes is nu wel zeker dat ze zijn ontstaan door condensatie in expanderende hete, ijle gassen rond bepaalde sterren.

De microscopisch kleine korrels van één meteoriet kunnen afkomstig zijn van één ster, maar er is een veel grotere kans dat ze bij verschillende (soorten) sterren zijn ontstaan. Het gas tussen de sterren is immers een samenraapsel van de producten van vele sterren. Elke korrel draagt een 'vingerafdruk' van de ster waarvan hij vandaan komt. Deze vingerafdruk, combinaties van isotopen van edelgassen en andere elementen, geeft een inzicht in de chemische en fysische processen in het milieu waar de desbetreffende korrel werd gevormd.

Om de ingewikkelde vingerafdrukken te kunnen interpreteren, moeten de interstellaire korrels in zo zuiver mogelijke vorm worden geïsoleerd. Dat gebeurt door het omringende meteoriet-materiaal met behulp van zuren op te lossen. Aanvankelijk konden alleen vele korrels tegelijk worden geanalyseerd en zag men dus 'vingerafdrukken' van meer sterren door elkaar heen. Ernst Zinner, van de Washington universiteit in St. Louis, ontwikkelde een techniek om afzonderlijke korrels te analyseren, zij het alleen de grotere. Hierbij worden hun vrijgemaakte isotopen gemeten via massaspectroscopie. Zijn collega Thomas Bernatowicz ging nog een stap verder. Hij sneed microscopisch kleine korrels siliciumcarbide met een microtoom in plakjes en ontdekte dat zij deeltjes bevatten die nog kleiner, en ouder, zijn, zoals kristallen van titaan-, zirkonium- en molybdeencarbide.

De tot nu toe best bestudeerde présolaire insluitsels zijn die van siliciumcarbide. Deze korrels zijn relatief groot en bevatten vele soorten isotopen. De meeste van deze insluitses zijn waarschijnlijk ontstaan in de enorm uitgebreide, relatief koele atmosfeer van koolstofrijke, rode reuzensterren. Krachtige 'sterrenwinden' blazen voortdurend gassen uit deze waterstofrijke omhulling weg en daarbij kunnen vaste deeltjes uitkristalliseren die gassen inkapselen. De atomen van deze gassen zijn diep in de ster via kernfusiereacties gevormd en later op de een of andere wijze naar buiten getransporteerd.

Een belangrijk proces bij deze nucleosynthese in sterren is het zogeheten s-proces: de vorming van zware atoomkernen door de langzame invang van neutronen. Dit proces geschiedt in een schil rond de grotendeels uit helium bestaande kern van de ster. Om de paar duizend jaar heeft een soort puls plaats, die de producten van het s-proces naar buiten stuwt, waar ze kunnen worden ingekapseld in korrels siliciumcarbide. Uit de concentraties zware elementen in deze korrels kunnen astronomen nagaan of de kernprocessen in bepaalde sterren wel werken zoals de modellen voorspellen. Tot nu toe blijkt dit inderdaad het geval (Science, 29 augustus).

Drie soorten présolaire korrels - van grafiet, siliciumnitride en siliciumcarbide (met zeer afwijkende isotopencombinaties) - zijn waarschijnlijk afkomstig van supernovae: zware sterren die aan het einde van hun leven exploderen. Deze sterren zijn vóór dit spektakel opgebouwd uit een aantal schillen, waarin waterstof (in de buitenste schil) in een aantal tussenstappen via kernfusie wordt omgezet in ijzer (in de kern). Tijdens de explosie worden de hierbij geproduceerde elementen de ruimte in geblazen, waar ze kunnen worden ingesloten in de deeltjes die zich dan in de expanderende gaswolk vormen.

HELIUMGEHALTE

Uit het heliumgehalte van korrels siliciumcarbide is zelfs iets af te leiden over de tijd waarin zij hebben rondgezworven, dus de tijd tussen hun ontstaan bij een ster en de insluiting in de materie van het zonnestelsel. In die tussentijd waren de korrels blootgesteld aan de energierijke deeltjes van de kosmische straling, die uit een aantal koolstofatomen via kernsplijting heliumatomen deed ontstaan. Het blijkt dat de oudste korrels 1,2 miljard jaar in de ruimte hebben rondgezworven, maar dit is waarschijnlijk nog maar een ondergrens. Dit bevestigt dat de korrels in meteorieten inderdaad afkomstig zullen zijn van vele sterren.

De interstellaire korrels in meteorieten kunnen ook informatie geven over de condities in de oernevel waaruit ons zonnestelsel is ontstaan. Alleen al uit hun aanwezigheid kan men afleiden dat het zonnestelsel niet, zoals twintig jaar geleden nog werd gedacht, is ontstaan uit een wolk gloeiende materie waarin alle herinneringen aan het verleden werden uitgewist.

Sommige korrels siliciumcarbide bevatten relatief veel magnesium-26, een vervalproduct van aluminium-26. Alastair Cameron denkt dat het zonnestelsel-in-wording een flinke dosis aluminium heeft meegekregen van een nabije ster die net vóór het ontstaan van het zonnestelsel explodeerde. Mogelijk heeft deze explosie zelfs de samentrekking van de oerwolk ingeleid. Uit de isotopen in korrels aluminiumoxide (kurund) hebben Larry Nittler en zijn collega's onlangs afgeleid dat het materiaal van de oerwolk door ten minste 25 sterren moet zijn verrijkt met elementen zwaarder dan helium (Astrophysical Journal, 1 juli).

ZWARE STERREN

Volgens Donald Clayton, van de Clemson-universiteit in South Carolina, zouden sommige korrels siliciumcarbide in onze meteorietenverzameling afkomstig kunnen zijn van sterren die uit geheel andere gebieden van het melkwegstelsel zijn gekomen. Clayton wijst op het paradoxale feit dat in de meeste korrels de concentratie zware siliciumisotopen hoger is dan in de zon, hoewel deze korrels afkomstig zijn van sterren die ouder zijn dan de zon. Aangezien het gehalte aan zware isotopen in de loop van de tijd in het melkwegstelsel toeneemt, zou men in de korrels juist een geringere concentratie verwachten.

In de Astrophysical Journal van 20 juli tracht Clayton deze paradox via een gewaagde theorie te verklaren. Volgens hem zouden zware sterren die dichter bij het melkwegcentrum zijn ontstaan in de loop der tijd buitenwaarts zijn gespiraliseerd. Deze sterren bezaten méér zware elementen dan de zon, leefden korter, explodeerden aan het einde van hun bestaan en 'verrijkten' het gebied waarin later het zonnestelsel zou ontstaan met zware isotopen. Zijn theorie is gebaseerd op de recente suggestie dat ook de zon zelf in de loop van zijn bestaan wat meer naar buiten is gespiraliseerd.

De sterren zouden van het melkwegcentrum af spiraliseren doordat zij tijdens hun beweging langs een massarijk gaswolk worden 'opgeslingerd', net zoals een ruimtesonde het gravitatieveld van een planeet benut om snel bij een andere te komen. Als de theorie juist zou zijn, zouden de korrels in meteorieten ook “een belangrijke bindende schakel kunnen gaan vormen tussen de dynamica en de chemische evolutie van het melkwegstelsel”, aldus Clayton. Hiermee wordt nogmaals aangetoond hoe veelzijdig de informatie is die nu al uit slechts enkele milligrammen sterrenstof kan worden gehaald.

De Adelaarnevel, in het sterrenbeeld Slang, is een reusachtig gebied van gas en stof waarin op grote schaal sterren ontstaan. In de expanderende, hete gassen rond sommige van die sterren kunnen zich hittebestendige korrels vormen, die een gedetailleerde 'vingerafdruk' van hun milieu tot ver in het melkwegstelsel met zich meedragen.