Wat doen PAK’s in de ruimte?

10 november 2009

Xander Tielens, hoogleraar fysica en chemie van de interstellaire ruimte, krijgt een ERC Advanced Grant voor de studie van polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) in de ruimte. De combinatie van astronomische observaties, computermodellen en labonderzoek maakt het onderzoek zeer interdisciplinair.

Prebiotische wortels van het leven

Xander Tielens: ‘Dit onderzoek is om twee redenen spannend en belangrijk. Ten eerste kunnen we er het bestaan van een unieke en complexe moleculaire inventaris in de ruimte mee belichten, met name in gebieden van ster en planeetvorming, die wellicht de prebiotische wortels van het leven omvat. Identificeren van specifieke moleculen is dan ook een kerndoel van het onderzoek.

Afbeelding boven: Artistieke impressie van eenPolycyclisch Aromatisch Koolwaterstofmolecuul (PAK), n.a.v. observaties van de Spitzer Space Telescope. Koolstof is groen, waterstof is geel.
CourtesyNASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Nieuw gereedschap om heelal te bestuderen

‘De tweede reden is dat de emissiekarakteristieken van deze grote moleculen een gevoelige maat zijn voor de lokale fysische omstandigheden. Deze moleculen bieden dus een unieke en nieuwe mogelijkheid om het heelal te bestuderen. Dit onderzoek is er op gericht om deze moleculen te ontwikkelen tot een nieuw stuk ‘gereedschap’ voor astronomen waarmee straks met waarnemingen van de geplande NASA missie, de James Webb Space Telescoop, het verste heelal in kaart gebracht kan worden.’

Een stervormingsgebied in Orion. Deze valsekleurenfoto is genomen door de Spitzer Space Telescope. De rode kleur is infrarood fluorescentie van PAK-moleculen in de geboortewolk van de nieuw gevormde, massieve sterren in het midden van de afbeelding.

Organische stoffen

Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) hebben geen goede naam. De PAK’s vormen een groep van honderden organische stoffen opgebouwd uit twee of meer benzeenringen We kennen ze vooral als de kankerverwekkende bijproducten van onvolledige verbranding van koolstofhoudende stoffen zoals fossiele brandstoffen, gebakken vlees en andere voedingsmiddelen.

PAK’s in de ruimte

Maar PAK’s komen ook in de ruimte tussen de sterren voor. In onze eigen Melkweg, maar ook in andere sterrenstelsel tot in het verste – dus vroegste – heelal. Dat weten we omdat ze, geholpen door UV-lichtdeeltjes, fluorescerende straling uitzenden in het infrarood. Het moeten grote moleculen zijn van zo’n 50-100 koolstofatomen, het zijn er een heleboel, en ze zitten overal, op bijna alle objecten in de ruimte, zoals observaties met de Infrared Space Observatory (ISO) en de Spitzer sinds het midden van de jaren ’90 hebben laten zien.

Chemische en fysische eigenschappen

Maar tot nu toe zijn alle bewijzen, hoe geavanceerd ook, nog steeds indirect. Specifieke PAK’s, en zelfs klassen van PAK’s zijn nog nooit direct geïdentificeerd. De chemische en fysische eigenschappen ervan kennen onderzoekers niet, ondanks alle theoretische en experimentele inspanningen die sinds de jaren ’70 zijn verricht, en waarin Xander Tielens een pioniersrol in heeft vervuld. Omdat deze chemische en natuurkundige eigenschappen niet bekend zijn weten we ook niet wat ze doen in het heelal, hoe ze zelf zijn ontwikkeld en welke functie ze hebben bij bijvoorbeeld ster- en planeetvorming.

Herschel

Tielens gaat nu sterrenkundige observaties, theoretische modellen en laboratoriumexperimenten combineren om deze PAK’s nader te bestuderen. Het onderzoeksprogramma is dus heel interdisciplinair. Met een team onderzoekers gaat hij de spectra analyseren die blootgelegd zijn door de Spitzer en de ISO, en de ruimtelijke variatie relateren aan onder andere de fysieke omstandigheden in de contreien van het heelal waar ze zitten. Over die omstandigheden zal de Herscheltelescoop, die eerder dit jaar is gelanceerd, informatie opleveren.

In het lab

In het laboratorium gaat het team de eigenschappen bestuderen van grote PAK-moleculen in de gasfase, en de emissiekarakteristieken ervan modelleren in de computer. Door de fotochemie van de moleculen te bestuderen hoopt Tielens uitspraken te kunnen doen over de chemische ontwikkeling van de moleculen. Het laboratoriumwerk zal gedaan worden in het Sackler Laboratorium voor Astrofysica in Leiden en de Felix Laser faciliteit in het FOM-instituut voor Plasma fysica in Rijnhuizen.

Een PAK-molecuul. De koolstofatomen zijn groen; waterstof is grijs. Bron: Sterrewacht Leiden

Xander Tielens

Xander Tielens werd per 1 januari 2009 hoogleraar Fysica en chemie van de interstellaire ruimte aan de Universiteit Leiden, de universiteit waaraan hij in 1982 ook promoveerde. Na zijn promotie vertrok hij naar de VS waar hij werkte bij de US National Research Council en vervolgens aan de University of California in Berkeley. Van 1989 tot 1997 was Tielens Senior Scientist in het NASA Ames Research Center in California. Van 1997 tot 2005 was hij hoogleraar astrofysica in Groningen. Van 2005-2008 was hij wederom verbonden aan het NASA Ames Research Center. Hij was en is verbonden aan vele internationale programma’s voor het ontwikkelen en benutten van nieuwe instrumenten om de ruimte te bestuderen. Ook leidde hij tussen 2004 en 2008 ‘The Molecular Universe’, een Marie Curie Research and Training Network. Tielens won diverse prijzen en schreef het handboek Physics and Chemistry of the Interstellar Medium (2005, 2e druk 2006).

Vierde Advanced Grant

Tielens is de tweede Leidse sterrenkundige die is geselecteerd voor een Advanced Grant van de European Research Council. Vorig jaar kreeg Marijn Franx er een. Ook de Leidse fysici Michel Orrit en Carlo Beenakker kregen deze prestigieuze subsidie toegekend. De faculteit Wiskunde & Natuurwetenschappen en het universitaire onderzoeksprofileringsgebied Fundamentals of Science hebben daarmee vier ERC Advanced Grants binnengehaald.