Kristallen in de ruimte - Sterrenkunde in Nederland

Kristallen in de ruimte
Eddy Echternach
Het zonnestelsel, de planeten, de aarde en ook wijzelf bestaan uit materie die door sterrenkundigen
wordt aangeduid met de verzamelterm 'zware elementen'. Dat 'zware' slaat op de atomen waaruit die
materie bestaat: elk atoom dat meer gewicht in de schaal legt dan de atomen van de twee lichtste
elementen - waterstof en helium - hoort hier bij. De uitzonderingspositie van waterstof en helium
is niet zo vreemd als het lijkt: ongeveer 99 procent van aile materie in het heelal (voornamelijk sterren
en gaswolken) bestaat uit deze beide gassen.
Het lag dan ook voor de hand dat
sterrenkundigen zich decennia lang voornamelijk
hebben
beziggehouden
met
de
vele
verschijningsvormen van waterstof en helium.
Zware elementen werden eigenlijk aileen binnen
ons zonnestelsel aangetroffen en onderzocht.
Maar sinds de opkomst van de infraroodsterrenkunde waarbij tamelijk energiearme
warmtestraling
uit
het
heelal
wordt
waargenomen - is dat veranderd. Er is steeds
meer belangstelling voor de mineralogische
samenstelling van de 'restmaterie' .
Silicaten - in de volksmond beter bekend als
kiezels kennen vele verschijningsvormen.
Meestal betreft het tamelijk vormeloze moleculen:
amorfe silicaten. Maar er is ook een regelmatige
variant, waarbij het silicaat een kristalvorm
aanneemt: kristallijne silicaten. Bekend was het
stof rond en tussen de sterren rijk is aan silicaten,
maar tot nog toe werd aangenomen dat het
vrijwel steeds de amorfe variant betrof. ISO heeft
nu duidelijk gemaakt dat ook kristallijne silicaten
een belangrijk onderdeel van het interstellaire stof
vormen .
De laatste jaren heeft het nieuwe onderzoeksgebied, dat al astro-mineralogie wordt genoemd,
een enorme vlucht genomen. Dat is onder meer te
danken aan het onderzoek dat met het Infrared
Space Observatory (ISO) is gedaan. Aan boord van
deze succesvolle Europese infraroodsatelliet, die
tussen 1995 en 1998 heeft gefunctioneerd,
bevond zich onder meer een Nederlands/Duits
instrument waarmee nauwkeurig spectraalonderzoek is gedaan. Het is met name dit laatste
instrument - een spectrometer - dat een schat
aan informatie over de samenstelling van de
restmaterie van het heelal heeft opgeleverd. De
materie in de omgeving van sterren kan niet vanaf
de aarde worden waargenomen, omdat zij
tamelijk koud is en aileen infraroodstraling
uitzendt die niet door de aardse dampkring wordt
doorgelaten.
Deze ontdekking, die door sterrenkundige Rens
Waters van de Universiteit van Amsterdam de
'kristallijne revolutie' is genoemd, breekt een heel
nieuw onderzoeksgebied open. Het werk van de
sterrenkundige is er zowel interessanter als
ingewikkelder door geworden. 'V66r ISO dacht
iedereen dat aile silicaten in de ruimte amorf
waren, en dus geen duidelijke inwendige
structuur hebben, waardoor je geen onderscheid
kunt maken tussen de verschillende silicaten die er
zijn. Nu kunnen we proberen om verschillende
soorten silicaten op te sporen en hun
aanwezigheid in bepaalde gebieden aantonen,'
aldus Waters.
Revolutie
Onlangs werd tijdens een persconferentie van het
Europese ruimtevaartagentschap ESA in Madrid
een van de opmerkelijkste resultaten van het
mineralogische
onderzoek
gepresenteerd .
Silicaatkristal)en,
de
meest voorkomende
mineralen op aarde, blijken ook in de omgeving
van jonge en oude sterren in grote hoeveelheden
aanwezig te zijn.
lfNi\/ETfSUM
2 - 2000
Kristalvorming
Het bijzondere van kristallen is dat ze aileen onder
bijzondere omstandigheden ontstaan . Ais je in
een gesteente een bepaald kristal aantreft, dan
kun je daaruit in grote lijnen aflezen welke
geschiedenis het gesteente heeft doorlopen.
Opmerkelijk genoeg vindt het onderzoek aan
interstellaire materie voor een belangrijk deel
plaats in laboratoria op aarde. Daarbij is onder
meer vastgesteld dat je kristallijne silicaten kunt
maken door het siliciumhoudende basismateriaal
te verhitten tot ongeveer 1300 graden Celsius en
vervolgens langzaam te laten afkoelen .
1
lmpressie van een protoplanetaire stotschijt waarin
kristallen en andere stotdeeltjes samenklonteren tot
planeten. De samenstelling
van het stot rond andere
sterren blijkt sterke
overeenkomsten te
vertonen met het stot van
kometen en andere objecten
in ons zonnestelsel.
(Tekening: Lynette Cook)
De silicaatkristallen
die door ISO
zlJn
waargenomen - zowel in de stofschillen rond
oude sterren en de stofschijven rond jonge sterren
hebben een temperatuur van 170 graden
onder nul.
In het geval van de oude sterren - sterren zoals
onze zon die aan het eind van hun bestaan tot
reusachtige proporties zijn opgezwollen en
daarbij grote wolken stof wegblazen - blijkt het
omringende stof voor ongeveer twintig procent
uit kristallen te bestaan. De onderzoekers denken
dat deze kristallen zijn ontstaan doordat de
materie dicht in de buurt van een ster de vereiste
hoge temperatuur heeft, en afkoelt als zij door de
ster wordt weggeblazen. In de platte stofschijven
rond jonge sterren - de soort omgeving waar
ruim 4,5 miljard jaar geleden ook de planeten van
ons zonnestelsel zijn ontstaan - is het ontstaan
van de kristallen minder makkelijk verklaarbaar.
Sommige onderzoekers denken dat zich in het
stof elektrische ontladingen voordoen (een soort
bliksemflitsen dus) die het stof verhitten.
Aangenomen wordt dat de kristallijnen
stofdeeltjes een belangrijke rol spelen bij het
ontstaan van planeten. 'De kristallen die door ISO
in deze stofschijven zijn gedetecteerd zlJn
ongeveer een duizendste millimeter groot,' legt
Waters uit. 'Zulke deeltjes komen met elkaar in
botsing en vormen daarbij steeds grotere
objecten. Uit computermodellen blijkt dat ze in
ongeveer tien tot honderd miljoen jaar zo groot
zijn als een planeet.'
Raadsels
De met ISO gemaakte spectra van een aantal
sterren zijn vergeleken met de spectra van
kristallijne silicaten, zoals die op aarde zijn
gevonden. Op deze manier kun je, zelfs op een
afstand van vele lichtjaren, vaststellen welke
stoffen er in de omgeving van een ster worden
aangetroffen. Zo is bij de ster HD100546, naast
de signatuur van amorfe silicaten, ijzeroxide,
waterijs
en
polycyclische
aromatische
koolwaterstoffen, ook het op aarde voorkomende
mineraal forsteriet aangetroffen. Dat is echter
slechts een van ontelbare silicaten, die bovendien
spectra hebben die erg veel op elkaar lijken. Het
zal dus nog wei even duren voordat de
samenstelling van het stof rond de sterren
nauwkeurig in kaart is gebracht.
""-._""""'''---------------------
l.fNiVERSUM
2 - 2000
Interessant is dat wei, om dat daarmee ook meer
bekend zal worden over de omstand igheden
waaronder de aarde en de andere planeten van
ons zonnestelsel zijn ontstaan. Zeker is in elk geval
al wei dat dezelfde kristallijne stofdeeltjes die bij
andere sterren zijn gedetecteerd ook voorkomen
in de kometen van ons eigen zonnestelsel.
(Toevallig was in de periode dat ISO werkzaam
was de heldere, stofrijke komeet Hale-Bopp
zichtbaar het infraroodspectrum van deze
komeet bleek grote overeenkomsten te vertonen
met dat van HD100546.)
Een van de problem en waarmee de astromineralogen worstelen is het klaarblijkelijke
ontbreken van kristallijne silicaten in de ruimte
tussen de sterren. 'Als sterren grote hoeveelheden
kristallijn stof maken, en er gebeurt verder niets
met de samenstelling van het stof, dan verwacht
je dus ook in het interstellaire medium een
aanzienlijke hoeveelheid kristallen aan te treffen ,'
legt Waters uit. 'Maar tot nu toe worden deze
maar steeds niet gevonden: het sil icaat in het
interstellaire stof is zeker voor 98 procent amorf.'
Er zijn twee mogelijke verklari ngen voor het
ontbreken van krista ll en in de ruimt e tussen de
sterren: of de kristallen die de sterren maken
komen om de een of andere reden nooit in de
interstellaire ruimte terecht, of de kristallen
worden in het interstellaire medium weer
afgebroken, bijvoorbeeld door de schokgolven
van ontploffende sterren.
Verrassend zijn ook de reusachtige hoeveelheden
kristallijne silicaten die rond oude sterren zijn
waargenomen - met name bij sterren die samen
met een andere ster deel uitmaken van een
dubbelstersysteem. De dichtheid van het stof is
hier soms groot genoeg om processen in gang te
zetten die normaal gesproken op planeetvorming
uitdraaien. Blijkbaar kunnen planeten niet aileen
in de dichte stofschijven rond jonge sterren, maar
ook aan het eind van het leven van een ster
ontstaan . Volgens sommige sterrenkundigen is
dat een duidelijke aanwijzing dat het ontstaan van
planeten eerder regel dan uitzondering is.
Foto's gezochtl
Voor de JWG-pagina zijn we op zoek naar leuke sterrenfoto's die leden
zelf gemaakt hebben. Dit hoeven geen spectaculai re foto's van obscure
neveltjes te zijn; ook je eerste poging om de Grote Beer of de Maan te
fotograferen willen we graag hebben!
Heb je dus nog een leuke zelfgemaakte foto liggen en vind je het leuk als we die op
Internet plaatsen (met natuurlijk je naam erbij! (en wat gegevens over d,e foto)), stuur
hem dan naar ons op! Ais je de foto kunt scannen kun je hem electronisch sturen naar
[email protected]; je mag ook de foto zelf naar het
gewone adres hieronder sturen . Schrijf het er even bij als je
de foto terug wilt hebben, dan sturen we hem weer naar je
op!
Je kunt je foto 's sturen naar:
JWG
Zonnenburg 2
3512 NL Utrecht
(toto 's Paul, maansverduistering, saturnus, orionnevel en h (va n h en chi))
A
26'"
lfNiVERSiJM
2 - 2000