Document

Chemie tussen de sterren
Ruud Visser
Ewine van Dishoeck
Sterrewacht Leiden
Oorsprong van sterren en planeten
fascineert de mensheid
Starry night
Van Gogh
Stars
Kandinsky
Milky Way dreaming
Australia aboriginal art
Raven stealing Sun
Pacific Northwest art
Ontdekking van exo-planeten maakt
eeuwenoude vragen actueel
Waar worden sterren en planeten gevormd?
 Hoe uniek is ons zonnestelsel?
 Welke planeten zouden bewoonbaar kunnen
zijn?
 Wat is de chemische samenstelling van het
bouwmateriaal van planeten?

Onze Melkweg
(sterrenstelsel van ~200 miljard sterren)
50,000 lichtjaar
Centrum
Zon
(=1 ster)
Deze lezing: zonsomgeving
(<1000 lichtjaar van de Zon)
Kraamkamers van sterren:
Interstellaire wolken
 Ruimte
tussen de sterren is niet
leeg, maar is gevuld met heel ijl gas
 Sterren worden geboren in de
dichtere concentraties van het gas
(=wolken)
Orionnevel
Christiaan Huygens (1694)
Orionnevel:
duizenden jonge sterren
ESO-VLT
ISAAC
McCaughrean
et al. 2001
‘The chaotic material of future Suns’
W.Herschel (1789)
Orionnevel met de
Hubble Space Telescope
Paardenkopnevel
H+ + e - → H
Donkere wolken
NGC 281
1 lichtjaar
Massa van wolk varieert van 1.000 tot 1.000.000 zonsmassa‟s
Donkere wolken: „kolenzakken‟



99 massa% gas
1 massa% stof (“zand”)
Temperatuur:
-263 °C (10 K)
Dichtheid: ~10.000
deeltjes per kubieke cm
(ten opzichte van
30.000.000.000.000.000.
000 op aarde)
Unieke omgeving voor reacties
Tijdschalen
Botstijd deeltjes: ± 1 maand
 Reactietijd: ± 100.000 jaar
 Stervorming: ± 1.000.000 jaar
 Levensduur wolk: ± 10.000.000 jaar
 Levensduur ster: ± 10.000.000.000 jaar

Hoe onderzoeken we wat er in die
wolk gebeurt?
Optisch
Infrarood
Langere golflengten!
Alves et al. 2001
Van zichtbaar naar IR
Infraroodtelescopen
Very Large Telescope, ESO, Paranal
Millimetertelescopen
James Clerk Maxwell Telescope, Mauna Kea, Hawaii
Ruimtetelescopen
ISO
Spitzer
Groot deel van ruimtestraling in IR en mm wordt
geblokkeerd door atmosfeer (i.h.b. H2O, O2 en CO2)
Herschel
14 mei 2009
gelanceerd!
Periodiek systeem voor astronomen
0.1
1.0
qua aantal
(4 1 8)·10-4
4·10-5
4·10-5
4·10-5 1·10-5
Stofdeeltjes: 10-12 qua aantal
B. McCall 2001
Moleculen tussen de sterren
Al meer dan 150 verschillende moleculen
gevonden in de ruimte
 Heel gewone moleculen:

 CO (koolmonoxide)
 CO2 (kooldioxide)
 H2O (water)
 NH3 (ammonia)
 CH3OH (methanol)
 CH3CH2OH (alcohol)
…
<1%
Moleculen tussen de sterren
Al meer dan 150 verschillende moleculen
gevonden in de ruimte
 Heel gewone moleculen:
CO, CO2, H2O, NH3, CH3OH, CH2OH, …
 Exotische moleculen:
HCO+, N2H+, HCCCCCCCN, …

Soms moeilijk na te maken in het lab!
±150 interstellaire moleculen
2
H2
AlF
AlCl
C2
CH
CH+
CN
CO
CO+
CP
CSi
HCl
KCl
NH
NO
NS
NaCl
OH
3
PN
SO
SO+
SiN
SiO
SiS
CS
HF
C3
C 2H
C 2O
C 2S
CH2
HCN
HCO
HCO+
HCS+
HOC+
H 2O
H 2S
HNC
HNO
MgCN
MgNC
N2 H +
N2 O
NaCN
OCS
SO2
c-SiC2
CO2
NH2
H 3+
4
5
6
7
8
9+
c-C3H
l-C3H
C3N
C3O
C3S
C2 H2
CH2D+
HCCN
HCNH+
HNCO
HNCS
HOCO+
H2CO
H2CN
H2CS
H 3 O+
NH3
SiC3
C5
C 4H
C4Si
l-C3H2
c-C3H2
CH2CN
CH4
HC3N
HC2NC
HCOOH
H2CHN
H 2C 2O
H2NCN
HNC3
SiH4
H2COH+
C 5H
l-H2C4
C 2H 4
CH3CN
CH3NC
CH3OH
CH3SH
HC3NH+
HC2CHO
NH2CHO
C 5N
C 6H
CH2CHCN
CH3C2H
HC5N
HCOCH3
NH2CH3
c-C2H4O
CH2CHOH
CH3C3N
HCOOCH3
CH3COOH?
C 7H
H 2C 6
CH2OHCHO
CH3C4H
CH3CH2CN
(CH3)2O
CH3CH2OH
HC7N
C 8H
CH3C5N
(CH3)2CO
NH2CH2COOH?
HC9N
HC11N
Chemische fabriek in de ruimte!
Gibb et al.
2000
Baken voor plaatsen waar zware sterren gevormd worden
Complexe organische moleculen
Gedetecteerd
Azijnzuur
(Nog) niet gedetecteerd
Dimethylether
Ethanol
„Suiker‟
Methylcyanide
Methylformaat
Benzeen
Ethylcyanide
Glycine
Pyrine
Pyrimidine
Caffeine
Gebaseerd op Ehrenfreund 2003
Polycyclische Aromatische
Koolwaterstoffen (PAH‟s)
PAHN: PAHs met N
Buckminsterfullereen
C60+ gedetecteerd in de ruimte?
De interstellaire ijscocktail

Moleculen bevriezen op koude stofdeeltjes
 hydrogenatie, bijv. O  H2O
0,1 micrometer =
0,0001 millimeter
IJschemie
Moleculen vormen ijs op stofdeeltjes in
koude omgevingen
 Nieuwe moleculen worden gevormd op deze
stofdeeltjes
 Deze moleculen verdampen wanneer ze
opgewarmd worden
 Moleculen kunnen verder reageren in de
gasfase

Reacties op stof en ijs (1)
desorptie
weerkaatsing
AB
AB
AB
adsorptie
diffusie
AB
AB
AB
Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop
Reacties op stof en ijs (2)
Eley-Rideal
Langmuir-Hinshelwood
B
A
A2B
A2B
A2
A2
diffusion
B
AB
A2B
AB
A
Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop
Reacties op stof en ijs (3)
hν
hν
e-
B 2D
A2
A
AB
A
BD
B
e-
AB+
e-
e-
Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop
Gaschemie
Bouwstenen voor planeten
NASA/
JPL-Caltech/
R. Hurt (SSC)
Stervorming in Orion
C.R. O’Dell
AMNH/SDSC
Inventarisatie van ruimte-ijs
Protoplanetaire schijven (1)
Grootte schijf:
100-300 AE =
100-300 x Zon-Aarde =
2-6 x Zon-Pluto
Protoplanetaire schijven
Meer dan 70% van jonge sterren omringd
door schijf
 Grootte van schijven vergelijkbaar met ons
zonnestelsel
 Massa van schijven meestal voldoende om
zonnestelsel te vormen (1% van massa Zon,
10x massa van Jupiter)

=> Ingredienten voor vorming planeten zijn overal
Organische moleculen in
planetengordel van schijf
Heet (500 K) C2H2, HCN, CO2 in binnenste deel schijf
Van stof naar planeten (1)
Van stof naar planeten (2)
NASA/
JPL-Caltech/
R. Hurt (SSC)
Exo-planeten versus
ons zonnestelsel
υ Andromeda
Ster
Zonnestelsel
Zon
Aarde
Jupiter
Eerste beelden exoplaneten
Triple systeem
Jonge planeten staan op veel grotere afstand van hun ster dan voorspeld!
Komeet Hale-Bopp
Chemische samenstelling vergelijkbaar met interstellaire ijzen
Hoe komt materiaal op jonge
planeet?
Ruimte in het laboratorium



Ultrahoog vacuum:
3.000.000 deeltjes/cm3
(ruimte: ± 10.000)
Temperatuur variabel:
-263 °C tot kamer
Analysetechnieken:
infraroodspectroscopie
(info over het ijs)
massaspectrometrie
(info over het gas)
Vorming van
methanol

CO-ijs bestraald
met H-atomen
CO

HCO

H2CO

CH3O

CH3OH
koolmonoxide
formaldehyde
methanol
Guido Fuchs et al.
Complexe ijsprocessesen
CO
H
HCO
H
H2CO
H
CH3O
H
CH3OH
Karin Öberg et al.
Complexe ijsprocessesen
CO
H
UV
HCO
H
UV
H2CO
UV
H
CH3O
UV
H
CH3OH
Karin Öberg et al.
Complexe ijsprocessesen
CO
H
UV
HCO
H
UV
H2CO
UV
H
CH3O
UV
UV
H
CH3OH
H
UV
CH2OH
Karin Öberg et al.
Complexe ijsprocessesen
CO
H
UV
HCO
H
UV
H2CO
H
UV
H
CH3O
UV
UV
H
CH3OH
H
UV
H
CH3
CH4
UV
UV
CH2OH
Karin Öberg et al.
Complexe ijsprocessesen
CO
H
CH3OCH3
UV
HCO
H
CH3
CH3O
UV
H2CO
UV
H
CH3O
CH3CHO
CH3CHO
CHO
CHO
CH3O
UV
CH3OH
H
H
UV
CH2OH
CH2OHCHO
CHO
UV
H
UV
CH2OH
CH3
CH2OH
CH3
H
CH4
UV
CH3
CH3CH3
CH3CH2OH
CH2OH
(CH2OH)2
Karin Öberg et al.
Astrochemie
Based on Ehrenfreund & Charnley 2000
Wat zijn de bouwstenen voor leven elders in het heelal?
Future space missions: infrared
James Webb Space Telescope
Herschel Space Observatory
(successor of Hubble Space Telescope)
Launch 2013
6m
Launch 2008
H2O!
3.5 m
Atacama Large
Millimeter/Submillimeter Array
- Llano de Chajnantor
Artist impression exo-planetary system
Star
Planet
Moon