Voor het eerst methaanijs gemaakt op aarde onder ruimtecondities

Een internationaal team van sterrenkundigen heeft in een laboratorium van de Universiteit Leiden laten zien dat methaan kan ontstaan op ijzige stofdeeltjes in de ruimte. Het vermoeden dat dit kon, bestond al langer, maar doordat de omstandigheden in de ruimte lastig zijn na te bootsen, was het nog nooit gelukt om dit te bewijzen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen maandagavond in het tijdschrift Nature Astronomy.

Het apparaat Surfreside-3 van de Universiteit Leiden. (c) LfA/Leiden Observatory
Het apparaat Surfreside-3 van de Universiteit Leiden. (c) LfA/Leiden Observatory

Methaan, bij ons bekend als de hoofdcomponent van aardgas, is een van de eenvoudigste koolwaterstoffen. Het bestaat uit een koolstofatoom met vier waterstofatomen: CH4. Op aarde kennen we methaan vooral als een brandbaar gas dat ontstaat uit vergane resten van organisch materiaal. Ook in de ruimte is methaan voorhanden. Neptunus en Uranus bevatten bijvoorbeeld naast waterstof en helium vooral methaangas. Op Saturnusmaan Titan, de enige maan in ons zonnestelsel met een dichte atmosfeer, regent het niet water maar vloeibaar methaan. Buiten ons zonnestelsel, in de interstellaire ruimte, is methaanijs een van de tien meest voorkomende ijsvormen.

Hangplek
De heersende mening over hoe methaanijs in de ruimte ontstaat, is dat er eerst CH gevormd wordt, dan CH2, vervolgens CH3 en uiteindelijk CH4. In de gasfase is deze reactie langzaam. Maar op een ijzig stofdeeltje verloopt de reactie sneller. Dat komt onder andere doordat ijzige stofdeeltjes een 'hangplek' vormen voor atomen en moleculen. Daardoor wordt het waarschijnlijker dat deze elkaar vinden. Bovendien vangen de stofdeeltjes de energie op die vrijkomt bij de reactie. Ze voorkomen daarmee dat het net gevormde methaan weer uit elkaar valt.

In de gasfase is deze reactie niet efficiënt, omdat de ruimte nogal leeg is. Echter op stofdeeltjes kunnen laagjes ijs groeien, waardoor atomen en moleculen elkaar gemakkelijker vinden. Bovendien kunnen stofdeeltjes de energie absorberen die vrijkomt bij de reacties. Daardoor gaan de reacties sneller.

Het is onderzoekers van het laboratorium voor astrofysica van de Sterrewacht Leiden (Universiteit Leiden) nu voor het eerst gelukt om onder ruimtecondities methaan te maken. Ze lieten daarvoor bij min 263 graden Celsius en in ultra-hoog vacuüm waterstofatomen en koolstofatomen botsen op een ijskoud oppervlak.

Tekst gaat door na afbeelding.
(c) LfA/Leiden ObservatoryHet apparaat Surfreside-3 van de Universiteit Leiden. Hiermee maakten de onderzoekers methaanijs op een oppervlak bij condities die gelden in interstellaire moleculaire wolken: min 263 graden Celsius en een ultra-hoog vacuüm. (c) LfA/Leiden Observatory

Plakkerig koolstof
Eerder was het de onderzoekers al gelukt om op een vergelijkbare manier water (H2O) en ammoniak (NH3) te maken. Ze deden dat toen door zuurstof en stikstofatomen met waterstofatomen te laten reageren. Maar reacties met koolstofatomen waren tot nu toe een uitdaging. Dat komt omdat koolstof erg plakkerig is. Dat maakt ermee experimenteren bijzonder lastig. Danna Qasim, promovenda aan de Leidse Sterrewacht en eerste auteur van de wetenschappelijke publicatie in Nature Astronomy, voegt toe: "Het is moeilijk om een experiment met koolstofatomen uit te voeren. Koolstof is plakkerig, dus het is een uitdaging om een gecontroleerde bundel pure koolstofatomen te maken. En tegelijkertijd wil je natuurlijk niet dat je opstelling na een experiment helemaal onder het koolstof zit."

De onderzoekers konden in hun experimenten de omstandigheden variëren. Zo konden ze precies onderzoeken hoe en hoe efficiënt methaan kan worden gevormd door inwerking van koolstof- en waterstofatomen.

Het blijkt dat methaanijs beter wordt gevormd in een waterrijke omgeving. Dit is in overeenstemming met astronomische waarnemingen die laten zien dat methaan- en waterijs gelijktijdig voorkomen in de ruimte.

De processen die de onderzoekers in het laboratorium hebben onderzocht, bootsen de omstandigheden na zoals die in de ruimte heersen voordat nieuwe sterren en planeten ontstaan. Het onderzoek onderschrijft het idee dat het methaan dat we planeten zoals Uranus en Neptunus aantreffen waarschijnlijk al voorhanden was lang voordat ons zonnestelsel werd gevormd.

Wetenschappelijk artikel
'An experimental study of the surface formation of methane in interstellar molecular clouds.' Door: D. Qasim, G. Fedoseev, K.-J. Chuang, J. He, S. Ioppolo, E.F. van Dishoeck, H. Linnartz. In: Nature Astronomy

English version of this news release