De vraag waar de koolstof en zuurstof in ons universum eigenlijk vandaan komen houdt sterrenkundigen al decennia bezig. Ze vormen de belangrijkste bestanddelen van ons menselijk lichaam, en behoren tot de meest voorkomende elementen in het heelal. Maar in het jonge heelal, vlak na de oerknal, bestonden deze atomen nog niet.
Vrijwel alles wat je om je heen ziet, inclusief de grond onder je voeten en de lucht die je inademt, is opgebouwd uit atomen die gevormd zijn in het hete binnenste van sterren. Vlak na de oerknal, zo’n 13,8 miljard jaar geleden, bestond het heelal namelijk vrijwel alleen uit waterstof en helium. Uit deze meest elementaire atomen produceren zware sterren vervolgens zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof en zuurstof.
“Kernfusie in het binnenste van sterren is een ingewikkeld proces”, zegt onderzoeksleider Darío González Picos (Sterrewacht Leiden. “Zo wordt er in de kern van onze zon (bij een temperatuur van 15 miljoen graden en een druk van 100 miljard atmosfeer) waterstof omgezet in helium. Over zo’n 5 miljard jaar gaat onze zon ook helium omzetten in koolstof en zuurstof.”
Verschillende fusie-reacties spelen in meer of mindere mate een rol in verschillende soorten sterren, en op verschillende tijdschalen. Om iets van die chemische verrijking te merken, moeten deze nieuwe atomen uiteindelijk ook de buitenwereld bereiken, bijvoorbeeld doordat de ster aan het einde van zijn leven zijn buitenste lagen afstoot, of zelfs helemaal ontploft als supernova. Dit nieuwe materiaal komt dan als gaswolken in onze Melkweg terecht, waaruit uiteindelijk weer nieuwe sterren gevormd worden, en planeten zoals ooit de aarde.
González Picos en zijn team hebben een nieuwe manier gevonden om deze ingewikkelde processen te ontrafelen. Atomen komen voor in verschillende variaties, isotopen genaamd. Het aantal protonen in de kern geeft een atoom zijn chemische eigenschappen (koolstof heeft bijvoorbeeld zes protonen), maar het aantal neutronen is per isotoop verschillend. 99% van de koolstofatomen in onze zon en op aarde heeft zes neutronen in de kern, maar een kleine fractie heeft er zeven.
Tekst gaat verder na de afbeelding
Een klein stukje waargenomen spectrum van één van de rode dwergsterren. De sterke lijnen van koolstofmonoxide worden veroorzaakt door de veel voorkomende isotopen van koolstof en zuurstof, 12C16O (blauw). Koolstof-13 komt gemiddeld 100x minder voor en vormt de veel zwakkere lijnen van 13C16O (groen). Er is zelfs een klein beetje zuurstof-18 te zien wat 12C18O vormt (in geel). Credit: Universiteit Leiden/Ignas Snellen.
Het is nu voor het eerst gelukt om deze isotoopverhoudingen, voor koolstof en zuurstof, te meten in 32 naburige sterren. “We zien nu dat de sterren die minder verrijkt zijn dan de zon, ook relatief minder zeldzame koolstof- en zuurstofisotopen hebben”, zegt coauteur Sam de Regt (Universiteit Leiden). “Dit hebben modellen al voorspeld, maar we hebben dit nu eindelijk ook echt kunnen meten. De routes waarlangs deze zeldzame isotopen gemaakt worden, en daarna de Melkweg verrijken kunnen zo beter worden begrepen.”
Opmerkelijk aan deze studie is dat de gebruikte data uit het archief komen van een telescoop op het eiland Hawaï, de Canada France Hawaii Telescope (CHFT). "De waarnemingen zijn oorspronkelijk voor een heel andere reden gedaan dan waarvoor we ze nu gebruiken", zegt medeauteur Ignas Snellen (Universiteit Leiden). "Het was geheel Darío's idee om de hoge-resolutiespectra die eigenlijk voor de ontdekking van planeten waren bedoeld, voor dit isotopenonderzoek te gebruiken – met een indrukwekkend resultaat".
González Picos besluit: “Deze kosmische detective gaat uiteindelijk over onze eigen oorsprong en helpt ons te begrijpen welke plaats we innemen in een lange reeks van astrofysische gebeurtenissen, en waarom onze wereld eruitziet zoals hij eruitziet”.
Artikel in Nature Astronomy