Eén manier waarop astronomen de herkomst van water kunnen achterhalen, is door het meten van de deuteriumverhouding. Ze bepalen daarbij de fractie van water dat één deuteriumatoom bevat in plaats van één van de waterstofatomen. Dus in plaats van H2O is het HDO, ook wel halfzwaar water genoemd. Een hoge fractie halfzwaar water is een indicatie dat het water op een zeer koude plaats is gevormd, zoals in de donkere wolken van stof, ijs en gas waaruit sterren zijn ontstaan.
In onze oceanen en in kometen en op ijzige manen bestaat maar liefst één op de paar duizend watermoleculen uit halfzwaar water. Dat is zo'n tien keer hoger dan verwacht op basis van de samenstelling van onze zon. Daarom vermoeden astronomen dat een deel van het water in ons zonnestelsel al ontstond als ijs in donkere wolken, honderdduizenden jaren voor de geboorte van onze zon. Om deze hypothese te bewijzen, moeten ze de deuteriumverhouding van waterijs in zulke stervormingsgebieden meten.
Een internationaal team van astronomen heeft nu zo'n hoog gehalte van halfzwaar waterijs ontdekt in het omhulsel van een zonachtige protoster. Dat is de wolk van materiaal rond een jonge ster in zijn embryonale stadium, minder dan honderdduizend jaar na geboorte.
Prachtige duidelijke signatuur
De astronomen gebruikten de James Webb Space Telescope. Voor het bestaan van Webb kon de deuteriumverhouding van water in stervormingsgebieden alleen betrouwbaar worden gemeten in de gasfase, maar daar kan het chemisch veranderd zijn. “Nu, met de ongeëvenaarde gevoeligheid van Webb, nemen we een prachtige duidelijke signatuur van halfzwaar waterijs waar in de omgeving van een protoster,” zegt Katie Slavicinska, een promovendus van de Universiteit Leiden die het onderzoek leidde.
De betreffende protoster is L1527 IRS, in het sterrenbeeld Stier op ongeveer 460 lichtjaar van de aarde. “In verschillende opzichten lijkt deze protoster op hoe we vermoeden dat onze zon was toen ze zich begon te vormen”, zegt John Tobin van het National Radio Astronomy Observatory in Virginia (VS). Hij leidt een van de waarnemingsprogramma's van Webb.
De deuteriumverhouding van L1527 lijkt sterk op die van sommige kometen en op die van de protoplanetaire schijf van een verder gevorderde jonge ster. Dit wijst erop dat in al deze objecten het water een vergelijkbare koude en oude chemische oorsprong heeft.
“Deze nieuwe bevinding draagt bij aan het groeiende bewijs dat het grootste deel van het waterijs zijn tocht grotendeels onveranderd maakt van de vroegste naar de laatste fasen van stervorming,” zegt co-auteur Ewine van Dishoeck, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit Leiden, die een groot deel van haar carrière besteedde aan het achterhalen van de reis van water door de ruimte.
30 protosterren en wolken op stapel
De gemeten deuteriumverhouding van waterijs in L1527 IRS is wel iets hoger dan de verhoudingen in sommige kometen in ons zonnestelsel en dan de waterverhouding op aarde. Dit verschil kan door verschillende factoren worden veroorzaakt. Zo kan een deel van het water op die kometen en op aarde chemisch veranderd zijn in de schijf. Of de donkere wolk waaruit onze zon ontstond, verschilt misschien van de donkere wolk waaruit L1527 IRS is ontstaan.
Er staan meer waarnemingen van halfzwaar waterijs op stapel om naar mogelijke redenen voor deze verschillen te zoeken. Slavicinska en co-auteur Tom Megeath, hoogleraar sterrenkunde aan de Universiteit van Toledo (VS), leiden meerdere Webb-programma's die in totaal 30 andere protosterren en donkere wolken gaan bestuderen. En Tobin gaat met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array op zoek naar HDO-gas in een aantal van dezelfde objecten.
Wetenschappelijk artikel
HDO ice detected toward an isolated low-mass protostar with JWST. Door: K. Slavicinska, Ł. Tychoniec, M. G. Navarro, E. F. van Dishoeck, J. J. Tobin, M. L. van Gelder, Y. Chen, A. C. A. Boogert, W. B. Drechsler, H. Beuther, A. Caratti o Garatti, S. T. Megeath, P. Klaassen, L. W. Looney, P. J. Kavanagh, N. G. C. Brunken, P. Sheehan, W. J. Fischer. In: The Astrophysical Journal Letters, 16 juni 2025. [origineel | preprint]
JWST-opname van het gebied rond de protoster L1527 IRS. De protoster is ingebed in een wolk van stof, gas en ijs (waaronder halfzwaar waterijs) die de groei van de protoster voedt. (c) NASA/ESA/CSA/STScI [afbeelding in diverse resoluties | YouTube | andere videoformaten]