Bij de wetenschap van de ruimte denk je eerder aan natuurkunde dan aan scheikunde. Niet helemaal terecht: ook chemie speelt een grote rol, bijvoorbeeld in de enorme gaswolken. Dus nu daaruit een nieuwtje: van een van de belangrijkste moleculen in het heelal ontbreekt (of beter: ontbrak) een essentieel stukje waarneming. Dankzij de James Webb Space Telescope (JWST) is daar verandering in gekomen.
Triwaterstofkation
Triwaterstofkation (H3+) is zo belangrijk, dat het vaak wordt aangeduid als ‘het molecuul dat het heelal heeft gemaakt’. Het is de basis voor bijna alle interstellaire chemie in de gasfase, en daarmee dus ook voor de vorming van complexe organische moleculen die de ingrediënten voor het leven vormen.
Het molecuul is al heel vaak waargenomen in interstellaire wolken. Echter: één bepaald soort licht dat H3+ zou moeten uitzenden, is nog nooit gevonden. Het gaat om het licht dat alle moleculen uitzenden bij rotatie. Dat was een frustratie…
Driehoekje en rotatie-straling
Laten we eens kijken naar de eigenaardige vorm van het triwaterstofmolecuul. Het bestaat uit drie waterstofkernen die samen worden gehouden door slechts twee elektronen.
De drie kernen vormen een gelijkzijdige driehoek en door die unieke symmetrische vorm blijft tijdens het draaien de elektrische lading gelijkmatig verdeeld. Gevolg? Dat is een simpele opgave: een volmaakte driehoek met egaal verdeelde lading zendt geen enkele elektromagnetische straling uit. Ah, dan is dat natuurlijk de verklaring!
Of wacht: misschien moet er toch een heel klein beetje straling zijn… Centrifugale krachten – die werken op alles wat ronddraait. Als dat met dit molecuul ook gebeurt, dan is door die krachten de vorm niet meer volmaakt driehoekig. En dan zou er tóch…
De vraag was duidelijk: kun je die vervorming uitrekenen? En kun je vervolgens bepalen wat de consequenties zijn voor de ladingverdeling en dus voor de straling die het zal uitzenden? Kijk, daar hadden de chemici een lastig stukje rekenwerk als huiswerk.
Uit heel exacte berekeningen vonden astrofysici van de Universiteit van Chicago in 1986 dat roterende triwaterstof een zeer zwakke hoeveelheid licht zou moeten uitstralen. De overgangen die uit hun calculaties kwamen, zijn buitengewoon zwak. Men dacht daarom: theoretisch misschien leuk, maar niet waarneembaar. Maar frustrerend was het wél.
Te zwak?
Vier decennia lang bleef de voorspelling onbevestigd. Het signaal was gewoon te zwak om te detecteren, zelfs in het laboratorium.
Tot de JWST kwam. Die keek vanuit zijn positie, ver weg van de aarde, een heel bijzondere situaties: zogenaamd Herbig-Haro-objecten (waaronder eentje met de code HH211). Het object ligt midden in een enorme gaswolk op duizenden lichtjaren afstand. En daar…
Herbig-Haro
Herbig-Haro-objecten worden gevormd uit pasgeboren sterren, die gewelddadig uitbarsten.
Hoe werkt dat? Wel, wanneer zich een nieuwe ster vormt, voedt hij zich met omliggend materiaal uit de ruimte. Dat geldt voor alle protosterren en piepjonge sterren: het is namelijk het recept voor het bouwen van nieuwe sterren: materie valt vanuit de wolk van gas en stof waarin de ster wordt gevormd (de nevel) omlaag de ster in. Daar leidt het tot de enorm hoge temperaturen die nodig zijn om de kernfusie in de kern op te starten.
Bij HH-objecten wordt echter een deel van de invallende materie door krachtige magnetische velden terug de ruimte in gejaagd. Niet in willekeurig richtingen, maar in twee scherp gerichte straalstromen. Wanneer zulke ‘jets’ in de omringende moleculaire wolk met rustig rondhangend gas en stof in botsing komen, ontstaan daar gigantische schokgolven. Het is alsof je een brandspuit richt op een stilstaande vijver: de golven vliegen rond. In gas verhitten zulke golven het gas waar ze doorheen jagen. Dat gas wordt ongelofelijk heet en zendt daardoor veel licht uit.
Omdat het spektakel plaatsvindt in het centrum van de dikke nevel/ stofwolk, waaruit de ster is geboren, is het in het visuele deel van het spectrum (400-800 nm) slecht waarneembaar: de nevel absorbeert vrijwel al het zichtbare licht.
Infrarood
Wat nu veranderde: de JWST kijkt niet in de visuele golflengten, maar in infrarood licht. Dat is voor onze ogen niet zichtbaar, maar met de moderne telescoop wél. Het aardige van infrarood licht is, dat het veel beter door de stofwolk heen dringt dan zichtbaar licht. Het draagt informatie uit het binnenste van de stofwolk dus wél naar buiten.
Toen JWST’s waarnemingen binnenkwamen, verschenen er tussen de vele al bekende en sterkere infraroodemissies ook een paar buitengewoon zwakke spectrale lijnen. De golflengten ervan waren die van het triwaterstofkation, en ze bevonden zich precies op de golflengten die 40 jaar eerder waren berekend.
Verder kijken…
De resultaten van deze waarneming waren reden om nog eens in het archief te zoeken. In oudere JWST-waarnemingen van een ander Herbig-Haro-object vonden ze dezelfde emissie.
De theoretici hadden dus al die tijd gelijk gehad – er was alleen nog geen instrument dat gevoelig genoeg was geweest om het te bevestigen.
Nu ze precies weten hoe en waar ze moeten kijken, kunnen de wetenschappers verder aan de slag: op zoek naar meer informatie over de chemische processen die spelen in de molecuulwolken in ons heelal.
SF-verhalen
Sterren zijn geweldige objecten. Groots. Heet. Er zijn heel veel verschillende soorten, met totaal verschillende eigenschappen. Ontzettend boeiend!
Het is dan ook logisch dat ze in veel SF-verhalen verschijnen. Lees bijvoorbeeld het korte verhaal ‘Brown’ over een zogenaamde bruine dwerg, in de bundel ‘Anderen’, https://www.wettum.org/anderen
Of ‘Bridge in de convectiezone’, dat speelt in onze zon, op de site van OutOfThisWorld: https://ootw-magazine.weebly.com/fiction/charles-van-wettum-bridge-in-de-convectiezone
Of lees jet verhaal ‘UY Scuti’ over een supernova-explosie, in de bundel ‘Vreemde draken’, onder redactie van Johan Klein Haneveld – uitg MACC. https://www.uitgeverijmacc.nl/product/vreemde-draken-diverse-auteurs/
