Nieuw recept voor water: voeg UV-licht toe!

Nieuw recept voor water: voeg UV-licht toe!
Dankzij het Ruimteobservatorium Herschel van ESA hebben sterrenkundigen waterdamp
gevonden ergens waar ze voorheen dachten dat dat onmogelijk was: in de atmosfeer van een
koolstofrijke rode reus. Professor Leen Decin van het Instituut voor Sterrenkunde van de
K.U.Leuven en haar collega’s publiceren hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift
Nature.
De belangrijkste bouwstenen van het leven op Aarde zijn water en koolstofmolecules. Beide
types molecules worden in grote hoeveelheden gevormd door sterren van het type van onze zon
wanneer die aan het einde van hun leven komen. Op het einde van hun bestaan worden
dergelijke sterren rode reuzen en ze stoten hun atmosfeer uit. Vroeger werden in dergelijke
atmosferen ofwel watermolecules ofwel koolstofmolecules gevonden, en men ging er van uit dat
beide types niet samen voorkwamen. Nieuwe resultaten, afkomstig van de PACS en SPIRE
spectrometers aan boord van het Ruimteobservatorium Herschel, dat werd gelanceerd in mei
2009, hebben dit algemeen aanvaarde idee onderuit gehaald. Er werden namelijk grote
hoeveelheden waterdamp gevonden in de atmosfeer van een uiterst koolstofrijke rode reus.
CW Leonis is een rode reus in het sterrenbeeld Leo. De massa van deze ster bedraagt enkele
keren die van de zon, maar zij is zodanig uitgezet dat ze honderden keren groter is. Als zij de
plaats van de zon zou innemen, zou ze tot voorbij de baan van Mars reiken. In het zichtbare
spectrum is CW Leonis nauwelijks te detecteren, zelfs met de grootste telescopen. Maar in het
infrarood, met golflengtes tien keer langer dan zichtbaar licht, is dit de helderste ster aan de
hemel. Dat de ster zo weinig zichtbaar licht uitstraalt en zoveel infrarood licht, komt door de
enorme hoeveelheid stofdeeltjes die haar omringen: die absorberen bijna al het zichtbare licht
en stralen zelf infrarood licht uit.
CW Leonis staat bekend als een `koolstofster', en het is de koolstofster die het dichtste bij de
Aarde staat, op een afstand van zo'n 500 lichtjaren. Kernfusiereacties diep binnenin de ster
zetten helium om naar koolstof, dat voor een aanzienlijk deel in de buitenste lagen van de
atmosfeer van de ster is terecht gekomen. De ster zendt ongeveer tienduizend keer meer
energie uit dan de zon, en haar buitenste lagen worden naar buiten uitgestoten in de vorm van
een 'sterrenwind' -- het equivalent van de zonnewind, maar veel sterker: er wordt een miljard
keer meer materie per uur uitgestoten. In deze wind hebben astronomen in grote hoeveelheden
verschillende koolstofmolecules en stofdeeltjes gevonden. CW Leonis zal binnenkort haar
levensloop beëindigen als een witte dwerg omgeven door een planetennevel: een wolk van gas
en stof, afkomstig van materiaal dat zich nu in de atmosfeer van de ster bevindt.
Aangezien die atmosfeer zo rijk is aan koolstof, zou zowat alle zuurstof moeten gebonden zijn in
koolstofmonoxide (CO), hetgeen betekent dat er geen water (H2O) aanwezig kan zijn. Echter, in
2001 werd straling waargenomen afkomstig van CW Leonis bij een golflengte die wijst op de
aanwezigheid van waterdamp. Deze waarneming kwam van de Submillimeter Wave Astronomy
Satellite (SWAS). Als mogelijke oorsprong van dat water werd toen voorgesteld dat de
sterrenwind watermolecules losmaakte uit een wolk van ijskometen rondom de ster.
Nu heeft Herschel echter duidelijke sporen van water gevonden bij veel meer golflengtes, en
met deze waarnemingen kan de temperatuur van het water worden afgeleid. Men vindt
temperaturen tot 1000 graden, wat betekent dat de waterdamp aanwezig is over de hele
sterrenwind, tot helemaal dicht bij het oppervlak van de ster zelf. Dit kan niet worden verklaard
met een model van een sterrenwind in interactie met een afgelegen ijskomeet. Voorheen nietgekende chemische processen moeten aan de basis liggen van de productie van waterdamp.
Ultraviolette straling kan zo'n processen in gang zetten: ultraviolet licht kan koolstofmonoxide
afbreken en zuurstofatomen vrijgeven, die met waterstof kunnen reageren en watermolecules
vormen.
De enige mogelijke bron van ultraviolet licht is de interstellaire ruimte, maar normaalgezien zou
die straling worden afgeblokt door het materiaal dat door de ster wordt uitgestoten doorheen de
sterrenwind. Waarnemingen hadden al aangetoond dat de sterrenwind niet homogeen is maar
uit `klonters' bestaat. De nieuwe waarnemingen van Herschel, die worden gepubliceerd in
Nature, laten vermoeden dat bepaalde gebieden rondom de ster bijna leeg zijn. Via die lege
zones kan ultraviolet licht doordringen tot de diepste lagen van de steratmosfeer en chemische
reacties in gang zetten die water produceren.
Harde ultravioletstraling van onze zon wordt geabsorbeerd door de atmosfeer van de Aarde, wat
het leven op Aarde beschermt tegen stralingsschade. Die beschermende atmosfeer was echter
nog niet aanwezig rond de primitieve Aarde. Mogelijk heeft ultraviolet licht een cruciale rol
gespeeld bij prebiotische chemische processen die geleid hebben tot het ontstaan van de
bouwstenen van het leven. De nieuwe Herschel resultaten tonen aan dat gelijkaardige
processen ook gebeuren rond rode reuzen, en materiaal leveren voor nieuwe generaties sterren
en planeten.
CW Leonis, gezien door de PACS en SPIRE camera's aan boord van het ruimteobservatorium
Herschel (toegevoegd uit een andere foto). De ster zelf is te helder voor gedetailleerde
observaties, maar ze stoot materiaal uit via een sterrenwind, dat voor een deel zichtbaar wordt
als een `bow shock', i.e. de onvolledige boog links van de ster in deze figuur. De `bow shock'
ontstaat waar de sterrenwind tegen de interstellaire materie aanbotst. Waarnemingen met de
PACS en SPIRE spectrometers wijzen uit dat waterdamp wordt gevormd dicht bij het oppervlak
van de ster; daar waar men altijd dacht dat dat onmogelijk was. De sterrenwind is wellicht veel
minder homogeen dan voorheen verondersteld, met gebieden waar de wind veel minder sterk is.
Zo kan ultraviolet licht uit de interstellaire ruimte binnendringen tot in de diepere, warmere
gebieden van de steratmosfeer en de vorming van water in gang zetten.
Contact: Leen Decin, ++32-473-46 31 35, [email protected]