Als je de ruimte wil nabouwen in een laboratorium moet je zorgen dat het koud is. Koud, en óók nog eens een vacuüm. Dat is precies wat promovendus Marina Gomes Rachid probeert te doen. ‘We koelen de vacuümkamer af tot 15 kelvin, zo’n 285 graden onder nul. Vervolgens maken we ijs in het vacuüm, en dat gaan we onderzoeken.’
Haar werk is een voorbereiding op de gegevens die de nieuw James Webb Space Telescope vanaf volgend jaar gaat verzamelen over de diepe ruimte. Een van de dingen die wetenschappers met deze nieuwe telescoop hopen te ontdekken is het ontstaan van complexe moleculen rond jonge sterren.
‘We hebben met gevoelige telescopen op aarde al gezien dat ze in de ruimte voorkomen’, vertelt Gomes Rachid. ‘Maar hoe zijn die daar gekomen? In een gas is de kans klein dat de juiste moleculen elkaar weten te vinden en samen een complexe stof maken.’ Daarom denkt de sterrenkundige dat de grotere moleculen niet zijn ontstaan door toevallig botsende stoffen, maar werden gevormd in ruimte-ijs.
Om jonge sterren hangt een zogenoemde moleculaire wolk, die bestaat uit een verzameling van gassen en stof, en in de koudere gedeeltes van de wolk ook ijs.
Na jarenlange vertragingen is de lancering van de James Webb Space Telescope (JWST) eindelijk aanstaande. De opvolger van de Hubble ruimtetelescoop, die oorspronkelijk al in 2007 gelanceerd zou zijn, gaat volgens de huidige planning in december eindelijk de ruimte in. De JWST bestaat uit 18 zeshoekige spiegels die bij elkaar 6,5 meter groot zijn, bijna drie keer zo groot als de spiegel op de Hubbletelescoop.
Met deze spiegels kan de JWST het licht opvangen van de eerste sterrenstelsels die een paar honderd miljoen jaar na de oerknal zijn ontstaan. De JWST is vooral goed in het opvangen van infrarood licht, precies de frequentie die makkelijk het ruimtestof van moleculaire wolken penetreert.
Om dit infrarode licht waar te nemen moet de JWST bijzonder koud blijven, niet warmer dan 50 graden boven het absolute nulpunt, dat gelijkstaat aan -273,15 graden Celsius. Daarom wordt de telescoop een stuk dieper de ruimte ingestuurd dan de Hubble, op zo’n anderhalf miljoen kilometer van de aarde af. De Hubble zweeft ‘slechts’ 540 kilometer boven ons. De grote afstand betekent wel dat eventuele reparaties aan de JWST na de lancering, zoals ook bij de Hubble nodig waren, nagenoeg onmogelijk zijn.
Maar hoe kun je zien welke moleculen er in ruimte-ijsdeeltjes zitten die lichtjaren ver van de aarde rond een zon zweven? Volgens Gomes Rachid heeft elke stof een vingerafdruk die is af te lezen – als je telescoop maar krachtig genoeg is. De James Webb Space Telescope die eind dit jaar wordt gelanceerd (zie kader) zou dat moeten kunnen.
Als het ruimte-ijs precies tussen een ster en de telescoop komt, werkt het als een filter. De ster straalt licht op allerlei golflengtes uit, maar afhankelijk van de samenstelling van het ijs, laat het alleen maar bepaalde soorten licht door, als een dia-slide voor een projector. Welke golflengtes worden doorgelaten is voor iedere stof uniek. Zie je door je telescoop een aantal specifieke golflengtes wel en een aantal niet, dan weet je met welke stof je te maken hebt.
Om te weten welke golflengtes bij welke stoffen horen, is Gomes Rachid nu al bezig om een database te maken van stoffen die de James Webb-telescoop mogelijk gaat tegenkomen. ‘We nemen bijvoorbeeld ethanol of methylamine in verschillende verhoudingen. Vervolgens maken we er ijs van met water of koolstofdioxide, waarvan we al weten dat dat in het ruimte-ijs zit. In de vacuümkamer schijnen we infrarood licht door het ijs en meten we welke golflengtes het ijs doorlaat en weten we welke vingerafdruk bij de stof hoort. De resultaten maken we openbaar in de Leiden Ice Database.’
De zoektocht naar complexe moleculen brengt ons misschien dichter bij de oorsprong van het leven op aarde. Een van de hypotheses stelt dat verschillende, daarvoor noodzakelijke aminozuren op onze planeet terecht zijn gekomen via kometen.
‘We denken dat kometen, die gedeeltelijk uit ijs bestaan, hun oorsprong hebben in de moleculaire wolk om jonge sterren’, vertelt Gomes Rachid. ‘In een recent onderzoek is gebleken dat methylamine, een van de complexe moleculen die ik onderzoek, in zeer koude omstandigheden ook aminozuren kan vormen. We weten dat het in het lab werkt, nu is het nog afwachten of dat in de ruimte ook zo is.’
‘Met de huidige telescopen hebben we nog geen aminozuren kunnen waarnemen in het ijs rond jonge sterren, maar dat kan de James Webb-telescoop hopelijk wel.’