Vliegende sterrenwacht ziet oermolecuul in heelal

Astronomie Heliumhydride was de eerste chemische verbinding die na het afkoelen van de oerknal ontstond. Voor het eerst is deze gedetecteerd in een verre gasnevel.

De vliegende sterrenwacht SOFIA vliegt over de Sierra Nevada in Californië met het luik van de telescoop in de zijwand helemaal open.
De vliegende sterrenwacht SOFIA vliegt over de Sierra Nevada in Californië met het luik van de telescoop in de zijwand helemaal open. Foto NASA

Het is astronomen voor het eerst gelukt om het exotische molecuul heliumhydride (HeH+) op te sporen in de interstellaire ruimte. Ruim 13 miljard jaar geleden was dit het eerste soort moleculen dat zich in het afkoelende heelal vormde. Het uiterst reactieve heliumhydride kan alleen onder heel specifieke omstandigheden bestaan.

De detectie is gedaan met behulp van een speciaal instrument – een zogeheten spectrometer – aan boord van de Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA). Deze Amerikaans-Duitse ‘vliegende sterrenwacht’ – een aanpast Boeing 747SP verkeersvliegtuig – is uitgerust met een forse telescoop waarmee voornamelijk waarnemingen op infrarode golflengten worden gedaan.

Goede plek om te speuren

Een onderzoeksteam, onder leiding Rolf Güsten van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, heeft SOFIA gebruikt om de 3.000 lichtjaar verre gasnevel NGC7027 te onderzoeken. Al een tijdje bestond het vermoeden dat deze planetaire nevel een goede plek kon zijn om naar heliumhydride te speuren. Terecht, zoals de donderdag in Nature gepubliceerde resultaten tonen.

Heliumhydride is een verbinding van een heliumatoom (He) en een proton oftewel een geïoniseerd waterstofatoom (H+). Een geïoniseerd atoom heeft elektrische lading doordat het een elektron verloor of erbij heeft gekregen. De eerste keer dat de merkwaardige combinatie van helium en geioniseerd waterstof kon ontstaan was ongeveer 400.000 jaar na de oerknal, toen de temperatuur in het heelal onder de 4.000 kelvin (ca. 3.700 °C) dook. Dat was het moment waarop de eerste neutrale atomen ontstonden – eerst helium, later pas waterstof.

De eerste keer dat dit molecuul kon ontstaan was 400.000 jaar na de oerknal

Er was dus een periode dat de kosmische materie voornamelijk uit neutrale helium (He) en geïoniseerde waterstof (H+) bestond. Deze bestanddelen gingen de eerste chemische binding in het heelal aan en vormden heliumhydride. Nadien reageerde dit met inmiddels neutrale waterstofatomen tot moleculaire waterstof – het hoofdbestanddeel van de koele interstellaire gaswolken waaruit nog steeds sterren worden geboren.

Veel heliumhydride is er dus niet meer in het heelal. Pogingen om het met spectroscopisch onderzoek op te sporen, leverden tot nu toe geen zekere resultaten op. Wel lukte het al in 1925 om heliumhydride in het laboratorium te produceren.

Eind jaren 70 lieten berekeningen echter zien dat er nog steeds waarneembare hoeveelheden heliumhydride gevormd kunnen worden in de ruimte. Dat zou het geval zijn in jonge planetaire nevels – die ontstaan wanneer sterren zoals onze zon aan het einde van hun bestaan hun buitenste lagen, die rijk zijn aan waterstof en helium, afstoten. In het centrum van zo’n nevel blijft een compacte, zeer hete ster achter die het uitgestoten gas tot op zekere afstand ioniseert – net als in de begintijd van het heelal.

Overgangszone

De ster in het centrum van de planetaire nevel NGC7027 produceert tienduizend keer zoveel straling als onze zon. Berekeningen laten zien dat op ongeveer 0,07 lichtjaar afstand van de ster de temperatuur zodanig is dat veel helium nog wel, maar de meeste waterstof al niet meer geïoniseerd is. Zo ontstaat een overgangszone met geïoniseerde helium (He+) en neutrale waterstof (H).

Ook dat resulteert – via een iets andere reactie – in de vorming van heliumhydride. „In NGC7027 domineert de reactie tussen He+ en H”, aldus Güsten per e-mail. „Maar onder de omstandigheden in het vroege heelal verloopt deze te langzaam, en heeft de reactie tussen He en H+ de overhand.”

Heliumhydride zendt straling uit op een golflengte van 0,149 millimeter, ver in het infrarood. Omdat de aardatmosfeer de straling niet doorlaat, kan deze niet vanaf het aardoppervlak worden waargenomen. Daarvoor moeten astronomen uitwijken naar de ruimte of, zoals bij dit onderzoek, naar grote hoogte.