Je leest:

Teer en roet tussen de sterren

Teer en roet tussen de sterren

Auteurs: , en | 1 april 2004

In de ruimte wemelt het van de polycyclische aromatische koolwaterstofmoleculen, kortweg PAKs. Ze zijn in feite een vorm van interstellaire milieuvervuiling, die afkomstig is van sterren. De PAKs zenden een karakteristieke vorm van infraroodstraling uit, die met de ISO-satelliet in volle glorie bestudeerd is. In dit artikel geven we een overzicht van de resultaten die dat heeft opgeleverd.

Polycyclische aromatische koolwaterstofmoleculen zijn op aarde voornamelijk bekend doordat ze van nature voorkomen in bijvoorbeeld steenkool en ruwe olie. Ze worden echter ook gevormd bij de verbranding van allerhande koolstofrijke brandstoffen, en zijn zo onder meer ook aanwezig in uitlaatgassen van auto’s, tabaksrook, kaarsroet en (bij de mindere keukengoden) aangebrande hamburgers. Vele van die PAKs zijn kankerverwekkend, en moeilijk te vernietigen. De grote hoeveelheden PAKs die door de industrie worden uitgespuwd, komen uiteindelijk in de bodem en het grondwater terecht, en kunnen zo in de voedselketen worden opgenomen – PAKs halen dan ook wel eens het nieuws vanwege hun milieuvervuilende eigenschappen.

PAKs zijn ook overvloedig aanwezig in de ruimte, en zijn ook daar het gevolg van ‘milieuvervuiling’. Niet door kapitein Kirk en de bemanning van de ‘Enterprise’, maar door sterren die met hun laatste adem een groot deel van hun massa de ruimte in blazen. In deze uitgestoten massa kunnen chemische processen – vergelijkbaar met die in verbrandingsmotoren – deze gecompliceerde moleculen vormen. Voordat we goed kunnen beschrijven hoe ze daar dan wel komen, en vooral waarom die PAKs zo belangrijk zijn, moeten we eerst wat dieper ingaan op hoe die PAKs eruitzien, en hoe we ze kunnen detecteren in de ruimte.

PAKs: wat zijn het?

Koolstofatomen kunnen zich in een ring ordenen, en samen met waterstofatomen zeer stabiele moleculen vormen: zogeheten benzeenringen (fig. 1). Aan elk koolstofatoom zit precies één waterstof atoom. De koolstofatomen hechten zich aan elkaar via een directe binding. Daarnaast doneert elk koolstofatoom ook nog een elektron aan een elektronenwolk die boven en onder dit platte molecuul ligt. Deze elektronenwolk geeft het molecuul extra stevigheid. Koolstofverbindingen van deze soort worden aromatische verbindingen genoemd. (De term ‘aromatisch’ werd – lang voordat men wist wat atomen en moleculen waren – gebruikt om een aantal chemische stoffen te beschrijven die een erg bijzondere geur hebben.)

Figuur 1: Koolstofatomen kunnen zich ordenen in een ring, een zogeheten benzeenring (links). Die ringen dienen als basisstructuur voor grotere moleculen, zoals PAKs (rechts).

Die ring kan ook dienen als basisstructuur voor grotere moleculen die uit een aantal van zulke ringen bestaan (fig. 1), en daarom ‘polycyclische’ moleculen worden genoemd. Als die moleculen enkel uit koolstof en waterstof bestaan, worden ze in het jargon Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen of kortweg PAKs genoemd. De simpelste PAK bestaat uit twee ringen die twee naast elkaar liggende koolstofatomen gemeenschappelijk hebben: het naftaleenmolecuul, dat de basis vormt voor mottenballen.

ISO en PAKs: een gelukkig huwelijk

Veel van de emissie in het infrarood is het gevolg van trillende moleculen en stofdeeltjes. Dit stelt ons in staat de verschillende materialen te identificeren, aangezien elk van hen straling uitzendt met een eigen karakteristieke set van energieën, en dus golflengten – hun zogenaamde vingerafdruk. Dit geldt ook voor PAKs, waarvan de voornaamste trillingen staan beschreven in bijgaand kaderstukje.

De bouw van een PAK. De individuele atomen in moleculen kunnen ten opzichte van elkaar bewegen. Voor elk soort molecuul, en dus ook voor een PAK, zijn alleen bepaalde heel specifieke trillingen mogelijk. Net als bij een springveer hangt de energie die met een trilling overeenkomt af van de kracht van de binding tussen de twee trillende atomen in het molecuul en van hun massa. Een molecuul kan dan ook enkel straling uitzenden of absorberen die qua energie precies bij zijn karakteristieke trillingen past. Een vereenvoudigde voorstelling van de voornaamste manieren waarop de atomen van een PAK-molecuul onderling kunnen trillen is hiernaast afgebeeld. Trillingen die de bindingshoek tussen twee atomen veranderen noemt men ‘buigingsmodes’ en trillingen die de afstand tussen twee atomen veranderen noemt men rektrillingen.

Omdat de aardse atmosfeer alle infraroodstraling tegenhoudt – op een paar kleine golflengtegebiedjes na – kunnen we de infrarode emissiebanden het best bestuderen met behulp van satellieten. Dankzij de Europese infraroodsatelliet ISO hebben we nu waarnemingen van hoge kwaliteit van het hele infraroodgebied, en dat maakt deze waarnemingen uniek. Het was dan ook de eerste keer dat de PAKs in de ruimte in hun volle glorie konden worden bestudeerd.

De infrarode emissiebanden en PAKs

In de loop van de jaren zeventig ontdekten astronomen dat de infraroodspectra van een breed scala van astronomische objecten (stervormingsgebieden, jonge sterren, oude sterren, …) een serie specifieke pieken vertonen rond 3,3, 6,2, 7,7, 8,6, 11,2 en 12,7 μm (zie fig. 2). Die pieken waren er óf allemaal, óf er was er geen enkele. Dikwijls worden deze pieken vergezeld door brede emissieplateaus. Bovendien werden ze steeds gezien in emissie en nooit in absorptie. Omdat het lange tijd onduidelijk was welk materiaal verantwoordelijk is voor deze emissiebanden, staan ze nu bekend als de ‘Unidentified InfraRed (UIR)’ de ‘Niet-geïdentificeerde InfraRoodbanden’.

Figuur 2: Een typisch infraroodspectrum (waargenomen door ISOSWS) van een koolstofrijke planetaire nevel. De ongeïdentificeerde infraroodbanden zijn aangeduid in rood, de bijhorende plateaus in groen. De verschillende trillingstoestanden van PAK-moleculen zijn aangegeven in blauw.

Na lang zoeken en gissen werd het stilaan duidelijk wat aan de oorsprong van deze banden ligt. De banden bleken namelijk een frappante gelijkenis te vertonen met iets wat op aarde goed bekend is: uitlaatgassen van auto’s (zie fig. 3)! De betreffende banden in het spectrum van die uitlaatgassen zijn karakteristiek voor C-H- en C-C-trillingen in aromatische materialen. Thans wordt algemeen aangenomen dat een verzameling van PAK-moleculen verantwoordelijk is voor deze infrarode banden.

Figuur 3: (Onder) Een typisch infraroodspectrum (waargenomen door ISO-SWS) van een groot stervormingsgebied. (Boven) Het infraroodspectrum van de roetdeeltjes in de uitlaatgassen van een auto.

Inmiddels begrijpen we ook waarom we zo goed als altijd emissiepieken zien. PAK-moleculen kunnen namelijk gemakkelijk straling absorberen van hoge energie, meestal UV-straling die in de ruimte overvloedig voorkomt. In een fractie van een seconde wordt deze energie verdeeld over alle atomen in de PAK-moleculen en omgezet in trillingen van een hoog tempo. Om hun overtollige energie kwijt te raken, gaan de PAKs langzamer trillen, en zenden ze dus de karakteristieke straling uit ten gevolge van de C-H- en C-C-trillingen (zie kader). Op die manier laten de PAK-moleculen hun vingerafdruk achter in de vorm van de infrarode emissiebanden.

Voor de lancering van ISO was reeds bekend dat PAKs voorkomen rond planetaire nevels, koolstofrijke oude sterren, stervormingsgebieden, reflectienevels, de meest nabije melkwegstelsels, enz. De overvloed aan spectra verkregen met ISO toont echter aan dat PAKs voorkomen rond bijna alle bronnen. ISO kon bovendien veel zwakkere bronnen waarnemen en toonde aan dat ook het infrarode spectrum van het interstellaire gas en de oppervlakten van donkere wolken gedomineerd worden door deze UIR-banden (zie fig. 4). Dit geldt niet alleen voor ons eigen melkwegstelsel, maar voor het interstellaire gas in andere stelsels. De leefwereld van de PAKs is dus het gehele universum en zo zijn de PAKs geëvolueerd van een eigenaardigheidje in het infraroodspectrum van sommige bronnen tot iets waar je in de sterrenkunde niet omheen kunt.

Figuur 4: De donkere moleculaire wolk rond rho Ophiuchi, waargenomen met de camera aan boord van ISO. De opname is samengesteld uit emissie rond 6 en 15 mm. De heldere filamenten rechts zijn emissie van stof dat is opgewarmd door de ster HD147889, die buiten de opname valt. De eigenlijk donkere wolk bevindt zich links. Het spectrum – gedomineerd door de UIR-banden – is van de rand van de moleculaire wolk.

Het levenspad van een PAK molecuul

Op aarde zijn PAKs vaak het bijproduct van de vorming van roetdeeltjes, bijvoorbeeld in een dieselmotor. In de ruimte is dat eigenlijk net zo. PAKs worden gevormd in het afgestoten of geëxplodeerde materiaal van oude sterren. Dit is aanvankelijk nog heet, maar naarmate die lagen verder uitdijen, daalt de temperatuur. Als de uitgestoten sterlagen voldoende zijn afgekoeld, worden er allerhande moleculen in gevormd. Tegelijkertijd wordt er ook ruimtestof gevormd, grotere korrels die bijvoorbeeld op roetdeeltjes lijken en gedeeltelijk uit deze moleculen zijn opgebouwd. PAKs zijn dan ook een bijproduct van het vormingsproces van koolstofrijk ruimtestof. Een aantal van de PAKs wordt weliswaar opgenomen in ruimtestof, maar een deel van de hier gevormde PAKs ontsnapt als vrije moleculen.

De uitgestoten sterlagen, nu in de vorm van moleculen en ruimtestof, dijen verder uit, en komen zo terecht in de interstellaire ruimte. Ook hier ondergaan moleculen en ruimtestof nog veranderingen. Stofdeeltjes en moleculen die met elkaar botsen blijven aan elkaar plakken, en groeien zo langzaamaan uit tot grotere stofdeeltjes en moleculen. Ook de materialen die al in de interstellaire ruimte aanwezig zijn – uitgestoten door andere sterren – kunnen worden opgenomen in de stofdeeltjes en moleculen. Anderzijds is de interstellaire ruimte geen stofvriendelijke omgeving door de voortdurende aanwezigheid van hoogenergetische straling, energierijke deeltjes en sterke schokgolven, die de moleculen en stofdeeltjes geheel of gedeeltelijk kunnen doen uiteenspatten. Alleen de stevigste en meest stabiele materialen kunnen hier overleven. PAKs zijn doorgaans heel stabiel en kunnen het in de ruimte heel lang volhouden.

Al het materiaal in de interstellaire ruimte vormt stofwolken die stilaan samenklonteren tot grote en dichte wolken. Het binnenste van die wolken is gedeeltelijk afgeschermd van de agressieve aanvallen uit de interstellaire ruimte. De kern van die dichte wolken trekt dan onder invloed van de zwaartekracht samen, en de temperatuur neemt toe. Na een tijdje wordt uit die kern een ster geboren en daaromheen wellicht een planetenstelsel. Planeten en hun eventuele latere bewoners worden zo gevormd uit het ruimtestof en de moleculen die afkomstig zijn van een vorige generatie sterren, en zwaar gehavend na een lange reis aan een nieuw leven beginnen. Als de ster op haar beurt dan weer aan het einde van haar leven is gekomen, zal ook zij haar buitenste lagen afstoten, en begint de hele cyclus opnieuw.

De verscheidenheid aan PAKemissiebanden

De ISO-SWS-spectra van heldere bronnen bevatten, naast de bekende UIR-banden, een hele reeks zwakkere emissiebanden alsook een zwak emissieplateau tussen 15 en 20 μm (zie fig. 2). Analyse van de zwakkere banden wijst uit dat ook zij behoren tot de familie van de UIR-banden. Bovendien blijken sommige bekende UIR-banden gezelschap te hebben van satellietbandjes, bijvoorbeeld op 6,0 en 11,0 μm, of vertonen ze duidelijk substructuur.

Tot dusver werd er van uitgegaan dat de infrarode emissiebanden van astronomische objecten er overal min of meer hetzelfde uitzien, en dat alleen de relatieve sterkte van de verschillende banden van object tot object varieert. ISO-waarnemingen tonen echter aan dat dit helemaal niet het geval is: zowel de sterkte, de positie als de vorm van alle infrarode emissiebanden varieert aanzienlijk wanneer we de spectra van verschillende objecten of de spectra van verschillende posities binnen een object met elkaar vergelijken. Bovendien komen de zwakkere banden niet systematisch voor in alle spectra. Deze variaties vertellen ons meer over de vorming en evolutie van PAK-moleculen, alsook welke PAKs precies aanwezig zijn in de ruimte. We geven hier een tweetal voorbeelden.

Figuur 5: Het SWS-spectrum van een oude ster en een groot stervormingsgebied waarbij de continue emissie van het stof verwijderd is. De spectra zijn zodanig genormaliseerd dat de 11,2 μm PAK-band een pieksterkte van 1 heeft, en een atomaire lijn op 12,8 μm is verwijderd uit het spectrum van het stervormingsgebied. De relatieve sterkte van de verschillende PAK-banden verschilt duidelijk tussen deze twee objecten en aldus kunnen we hun structuur bepalen.

De emissie ten gevolge van de C-H buiging uit het vlak is sterk afhankelijk van hoeveel andere H-atomen de trillende C-H-atomen als buur hebben. Naarmate de C-H-groep meer buren heeft, zendt hij straling uit op langere golflengten. De PAK-emissiebanden in dit golflengtegebied rond jonge sterren lijken op elkaar, die rond oude sterren lijken op elkaar, en die rond stervormingsgebieden lijken op elkaar, maar onderling vinden we grote verschillen (zie fig. 5). Door vergelijking van de relatieve sterktes van deze banden met die van PAK-moleculen gemeten in het laboratorium, onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die in de ruimte, kunnen we leren hoe de ‘rand’ van de PAK-moleculen er uitziet. Oude sterren maken PAKs met gladde, gelijkmatige randen. Hierna worden ze langzaam afgebroken in de stofonvriendelijke interstellaire ruimte, en worden de randen van dezelfde moleculen onregelmatig en ‘rafelig’ (zie fig. 6).

Deze variatie in de C-H PAK-emissiebanden rond oude sterren, jonge sterren en stervormingsgebieden vinden we ook terug voor andere PAK-emissiebanden. Spectra zijn dus erg makkelijk te klasseren, omdat soortgelijke sterren zo goed als identieke spectra hebben: alle jonge sterren hebben erg op elkaar lijkende spectra, de spectra van alle oude sterren lijken als twee druppels water op elkaar, enzovoort. Daarentegen zijn er erg grote verschillen te vinden tussen sterren van andere typen. Dit geeft aan dat de PAK-populatie rond deze verschillende soorten objecten anders is. Zo komt bijvoorbeeld de positie van de bekende 6,2 μm UIR-band rond oude sterren overeen met grote PAK-moleculen die in het lab zijn gemeten. Maar die rond jonge ster ren en stervormingsgebieden komt overeen met ‘vuile’ PAKs, die niet langer enkel uit koolstof en waterstof bestaan, maar waarbij een ander atoom (bijvoorbeeld stikstof) de positie van 1 of meerdere koolstofatomen heeft ingenomen. Deze verandering van zuivere PAKs in ‘vuile’ PAKs gebeurt waarschijnlijk in de interstellaire ruimte. Interstellaire PAKs kunnen bijvoorbeeld chemische veranderingen ondergaan insterke schokgolven of door interactie met hoogenergetische deeltjes.

Figuur 6: Het aantal ‘buur’ C-H-groepen weerspiegelt de structuur van een PAK. Links: een ‘compact’ PAK-molecuul met gladde, gelijkmatige randen, zoals ze rond oude sterren voorkomen; rechts: een ‘rafelig’ PAK-molecuul, dat karakteristiek is voor stervormingsgebieden. De getallen in de rand-zeshoeken geven het aantal naast elkaar liggende C-H-groepen aan. Solo C-H-groepen zijn karakteristiek voor een lange, rechte molecuulstructuur, terwijl duo’s en trio’s eigen zijn aan een hoekige vorm.

Waarom bestuderen we PAKs? De PAKs zijn in de meeste milieus in grote aantallen aanwezig. Het mag ons dan niet verwonderen dat zij een belangrijke rol spelen in tal van processen die gaande zijn in hun lokale omgeving. PAKs zijn bijvoorbeeld de bouwstenen van stofdeeltjes die voornamelijk uit koolstof bestaan, PAKs domineren de energiebalans in de interstellaire ruimte, PAKs beïnvloeden de ladingsbalans, en dus de evenwichtstoestand van verscheidene chemische reacties, en PAKs vormen ook een ideaal oppervlak om nieuwe moleculen te maken. PAKs zijn dus een belangrijke component van het interstellaire gas.

ISO-onderzoek van melkwegstelsels heeft aangetoond dat PAKs ook gebruikt kunnen worden als diagnostisch middel om de fysische omstandigheden in ver weg gelegen gebieden te bestuderen. Met name infrarood emissie in ons Melkwegstelsel is vaak verbonden met nabije jonge, zware sterren. De waargenomen flux is dan ook een maat voor stervorming. PAK-onderzoek zou wel eens heel belangrijke informatie kunnen geven over stervorming op grote afstand, zoals in het vroege heelal, waar extinctie door stof traditionele indicatoren van de stervormingsactiviteit onbetrouwbaar maakt.

De sterkte van PAKs maakt ze standvastig en dus abondant in de interstellaire ruimte. Daarom domineren zij het infrarode spectrum van melkwegstelsels. Waarschijnlijk zijn PAKs echter maar één van de vele molecuul soorten die de interstellaire ruimte bevolken en trillend in hun hoekje zitten te wachten totdat wij ze ontdekken.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Zenit.
© Zenit, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.