Stof voor Felix

IN HET STOF dat zich rond sommige oude sterren ophoudt zweven minuscule kristallen die zijn opgebouwd uit koolstofatomen en atomen van het metaal titaan. Dat ontdekte een groep natuurkundigen onder leiding van Gerard Meijer tijdens experimenten op het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein. Zij maakten dergelijke nanokristallen in het laboratorium en wisten er met behulp van de vrije elektronenlaser FELIX in Rijnhuizen een spectrum van op te nemen (Science, 14 april 2000).

De golflengte van de meest prominente piek in dat spectrum bleek precies overeen te komen met die van een tot nog toe onverklaarbare piek in het spectrum van zogeheten AGB-sterren. Dat zijn oude, niet al te zware sterren die in de laatste fase van hun leven zijn beland en opzwellen tot rode, koele hemellichamen. De betreffende piek was voor het eerst waargenomen met de Europese infraroodsatelliet ISO (Infrared Space Observatory), maar niemand was er in geslaagd hem te identificeren. Vorig jaar mei sprak een Canadese astronoom in Science het vermoeden uit dat ``We hoogstwaarschijnlijk iets zien wat we op aarde niet hebben''. Dat blijkt nu onjuist, al dient gezegd dat de kleine kristalletjes alleen onder speciale omstandigheden in het laboratorium kunnen worden gevormd.

Toen Deniz van Heijnsbergen en Gert von Helden daar vorig jaar mee bezig waren, hadden ze geen flauw benul dat hun werk ooit astronomische implicaties zou hebben. Hun interesse ging uit naar de eigenschappen van clusters, kleine klompjes materie die een tussenstadium vormen tussen afzonderlijke atomen en een vaste stof. De FOM-onderzoekers maakten hun clusters door een staaf titaan met een laser te beschieten en de wegvliegende (atomaire) brokstukken mee te voeren in een gasstroom waarin zich in lage concentratie methaan bevindt. In zo'n gaspuls vormen zich dan razendsnel de titaan-koolstofclusters.

Van Heijnsbergen: ``Wij waren op zoek naar stabiele clusters die niet direct in kleinere brokstukken uiteenvallen. Daarvoor maakten we gebruik van de infrarode lichtpulsen van FELIX. Door clusters met infrarood licht van de juiste golflengte te bestralen, absorberen ze energie en worden steeds warmer. Instabiele clusters kunnen daar niet goed tegen en vallen uit elkaar. Maar bepaalde combinaties van koolstof- en titaanatomen raken hun overtollige energie alsnog kwijt door een elektron uit te zenden, zodat ze positief geladen raken.''

Het gevolg is dat zulke clusters kunnen worden gedetecteerd en dat hun massa kan worden bepaald. Van Heijnsbergen en Von Helden kwamen zo een hele serie van stabiele clusters op het spoor, stuk voor stuk kleine kubusjes bestaande uit enkele tientallen atomen. Al die clusters bleken in het infraroodspectrum een karakteristieke piek bij een golflengte van twintig micrometer te hebben. Van Heijnsbergen: ``Dat was eigenlijk een teleurstelling. We hadden verwacht een verschuiving van de golflengte te zien naarmate de deeltjes groter werden, maar aan deze spectra was voor een fysicus weinig te beleven.'' Dat veranderde toen de Groningse astrofysicus Xander Tielens in Nieuwegein langs kwam. Met de ISO-satelliet had hij een soortgelijke piek waargenomen in de spectra van AGB-sterren.

Hebben beide pieken een gemeenschappelijke oorsprong? Astronomen kunnen zich moeilijk voorstellen hoe de titaan-koolstofkristallen in de ruimte zouden moeten ontstaan: er is daar zeer weinig titaan. Maar juist omdat de clusters zo stabiel zijn, hebben ze een voordeel. Berekeningen van Tielens wezen uit dat het wel degelijk mogelijk was dat de clusters in de laatste levensdagen van AGB-sterren konden zijn gevormd. Vlak voor hun dood verliezen die in betrekkelijk korte tijd alle koolstof die ze in hun inwendige via kernfusie hebben gevormd. In die fase kunnen de koolstofatomen verbindingen aangaan met rondzwevende titaanatomen.

Tielens kon laten zien dat de gevormde hoeveelheden klopten met de intensiteit van de piek in het sterspectrum. Van Heijnsbergen: ``Dat is toch prachtig? Dat fundamenteel onderzoek een resultaat oplevert waarmee je een raadsel oplost in een totaal ander vakgebied? Met FELIX gaan we beslist ook kijken naar de rol die andere kristalletjes in de ruimte spelen.''