Geboorte van sterren en planeten

Welke moleculen bevinden zich in de ruimte waar nieuwe sterren en planeten ontstaan? En hoe worden die hemellichamen dan precies gevormd? Ewine van Dishoeck kijkt hiernaar met behulp van de meest krachtige telescopen ter wereld, die onder meer in hooggebergtes van Chili en Hawaii staan. Deze telescopen kunnen straling van moleculen in gaswolken opvangen. Van Dishoeck en haar collega’s kunnen uit deze ‘vingerafdrukken’ afleiden welke moleculen aanwezig zijn in die gaswolken en hoe groot de kans is dat zich daar een ster of planeet aan het vormen is. Bovendien geven de moleculen informatie over de fysische omstandigheden in de wolken, bijvoorbeeld hoe warm de wolk is, of hoe ijl.

Het geboorteproces werkt als volgt. De gaswolk, waarin allerlei moleculen en stofdeeltjes zitten, stort vroeg of laat in onder z’n eigen zwaartekracht. Tijdens dat ineenstorten wordt in het centrum van de wolk een jonge ster gevormd. Vaak blijft een gedeelte van de moleculen in een schijf rond die jonge ster, de ‘zon’ van het nieuwe stelsel, draaien. Zo’n schijf heeft grofweg een doorsnede die zo groot is als ons eigen zonnestelsel. Terwijl de zon groeit, klonteren er in de schijf ook stofdeeltjes tegen elkaar aan: zo ontstaan de nieuwe planeten van het stelsel. Maar hoe die planeten dan precies worden gevormd en waarom de tot nu toe gevonden zonnestelsels er zo anders uitzien dat het onze, weten we nog niet. Door het vormingsproces van grote aantallen jonge sterren in verschillende evolutiestadia te onderzoeken hopen Ewine van Dishoeck en haar collega’s hierop antwoorden te vinden.

Bovendien zoeken ze naar een antwoord op de vraag hoe vervolgens moleculen, die zich al in de oorspronkelijke gaswolk bevonden, op de jonge planeten terechtkomen. "Een van de theorieën is dat dit gebeurt door de inslag van kometen en asteroiden, waaraan moleculen ‘vastgekleefd’ zitten, maar zeker weten doen we dit nog niet", legt Van Dishoeck uit. "Vinden we het antwoord op die vraag, dan weten we meer over de kans dat er ergens in de ruimte een broertje of zusje van onze aarde bestaat, waarop leven mogelijk is. Ook weten we dan beter hoe onze eigen aarde, en uiteindelijk het leven daarop, is ontstaan."

De zoektocht naar water

14 mei 2009 is een datum die Ewine van Dishoeck nooit meer zal vergeten. Op die dag werd de Herschel satelliet gelanceerd, met de opdracht: vind water! Decennialang was ze betrokken geweest bij de voorbereidingen en opeens ging het heel snel. In 2010 vond Herschel inderdaad een overvloed aan water (H2O) in de ruimte.

Het in kaart brengen van water is ten eerste belangrijk omdat ijs in wolken, waar nieuwe sterren en planeten worden gevormd, een belangrijke rol speelt bij het maken van die nieuwe hemellichamen. Bovendien is het interessant om te zien hoeveel van dat water uiteindelijk op de jonge planeet zelf terechtkomt. Want aanwezigheid van water is een belangrijke voorwaarde voor het ontstaan van leven.

Die processen kun je niet vanaf de grond waarnemen, omdat er te veel water in onze eigen atmosfeer zit. Herschel meet in welke ijle gaswolken zich hoge concentraties van water voordoen. Met beelden die de telescoop doorstuurt, kunnen Ewine van Dishoeck en haar Leidse collega Michiel Hogerheijde zien wat er met dat water gebeurt tijdens de planeetvorming. Hoeveel water is er in de zone van de schijf waar planeten worden gebouwd? Door ook naar 'zwaar' water (water waarvan één waterstofatoom is vervangen door het zwaardere deuteriumatoom) te zoeken, vertellen de gegevens ook  iets over de ontstaansgeschiedenis van het water op onze eigen planeet. Het onderzoek draagt de tot de verbeelding sprekende naam WISH: Water In Star-forming regions with Herschel.

Herschel biedt een once in a lifetime-kans voor dit onderzoek. Zoals voorspeld was de telescoop in 2013 door z’n koelvloeistof heen en hield hij op met functioneren. En de komende twintig tot dertig jaar zal er geen dergelijke missie zijn. Daarom hebben Van Dishoeck en haar collega’s de afgelopen jaren de kans gegrepen om zo zoveel mogelijk gegevens te verzamelen. Het verwerken van al die data nu Herschel is 'uitgewerkt' zal nog jaren in beslag nemen.

Lees hier meer over het project WISH.

Het ruimtelaboratorium

Een exotisch laboratorium, zo noemt Ewine van Dishoeck ‘haar’ ruimte. Want in ijle gaswolken in het heelal zijn moleculen aanwezig die op aarde niet voorkomen en ook nooit in het dagelijks leven kunnen voorkomen. En van voor ons alledaagse moleculen zoals water, is het juist de vraag hoe die in de ijle ruimte hebben kunnen ontstaan: hoe kunnen waterstofdeeltjes en zuurstofdeeltjes elkaar ooit vinden in die leegte?

Waarschijnlijk spelen stofdeeltjes daarbij een belangrijke rol, was het vermoeden. Maar je kunt natuurlijk niet zomaar de de moleculen en verbindingen die je in de ruimte waarneemt, even meenemen naar de aarde om die theorie te testen.

In een speciaal lab dat Van Dishoeck in Leiden uitbouwde met steun van Amerikaanse weldoeners, bootsen sterrenkundigen onder leiding van collega Harold Linnartz de bijzondere omstandigheden van de ruimte na om op dergelijke vragen een antwoord te vinden en vermoedens te testen. Ze laten ijsmantels groeien op stofdeeltjes, en beschieten die daarna met UV-licht en deeltjes. En inderdaad: water bleek op stofdeeltjes, gebombardeerd met waterstofatomen, te kunnen ontstaan. Ook kunnen complexe organische moleculen zoals alcohol worden gemaakt.

Zelf is Ewine van Dishoeck ook erg geïnteresseerd in de vraag hoe je bepaalde verbindingen juist weer uit elkaar krijgt. “In de ruimte heb je UV-straling  van sterren die moleculen kan vernietigen. Ik bestudeer dat proces.”

Het onderzoek naar moleculen in de ruimte heeft de gewone aardse scheikunde ook behoorlijk op z’n kop gezet. “Eigenlijk moet je in de ruimte helemaal opnieuw beginnen met chemisch onderzoek”, zegt Van Dishoeck. Ze werkt dan ook veel samen met gewone ‘aardse’ chemici, die in het lab en achter de computer met deze wondere nieuwe wereld aan de slag gaan.

Supertelescopen

Zonder state of the art telescopen, is het voor sterrenkundigen onmogelijk om verder onderzoek te verrichten. Dat geldt ook voor Ewine van Dishoeck en haar collega’s, als ze in ijle wolken de vorming van nieuwe zonnestelsels bestuderen. “Waar telescopen tien jaar geleden in staat waren om in de kern van een wolk te kijken, kan men nu nog met een factor tien tot honderd inzoomen. Ik vergelijk het bekijken van zo’n wolk wel eens met een luchtfoto van een stad. Eerst zagen we de stad als een grote vlek met een paar daken, nu kunnen we de marktkraampjes zien.”

In de loop der jaren is Ewine van Dishoeck betrokken geweest bij de bouw van verscheidene telescopen. Dat geldt bijvoorbeeld voor de Herschel-telescoop, waarover ze al in de jaren ’80 de eerste vergadering bijwoonde. “Je bent als astronoom altijd met de wetenschap van de toekomst bezig. Betrokkenheid van sterrenkundigen in de voorbereidende fasen is ontzettend belangrijk.” Een ander groot project waarbij Van Dishoeck is betrokken, is ALMA, oftewel de Atacama Large Milimeter Array. Dit is een verzameling van 66 telescopen die worden gebouwd op het drielandenpunt tussen Chili, Argentinië en Bolivia, 5000 meter hoog. Op dit moment staan er 39 telescopen. Met deze superbatterij aan telescopen zijn sterrenkundigen in staat om zeer gedetailleerde opnames te maken van gas in de ruimte. Van Dishoeck kan met behulp van ALMA nog beter kijken naar de vorming van sterren en planeten en eindelijk ‘live’ de vingerafdrukken zien van complexe moleculen die ze in het lab hebben nagebootst.

Voor ALMA was ze jarenlang betrokken bij het bij elkaar krijgen van geld en mensen, organiseren, en toezicht houden op de bouw. “Alma betekent ‘ziel’ in het Spaans. En ik denk dat ik zelf ook wel een stukje van mijn ziel aan ALMA heb verkocht.”

Een derde project waarbij ze is betrokken, is de James Webb Space telescoop. Deze opvolger van de Hubble-telescoop wordt rond  2018  gelanceerd. De telescoop heeft onder meer een mid-infrarood-camera aan boord (deels in Nederland gebouwd) die zo gevoelig is dat je er een brandende kaars op Jupiter mee kunt zien. De telescoop gaat onder meer worden ingezet voor verder onderzoek naar planeetvorming.