Methaanijs gemaakt in Leids laboratorium onder ruimtecondities
Wetenschappers hebben in een laboratorium van de Universiteit Leiden laten zien dat methaan kan ontstaan op ijzige stofdeeltjes in de ruimte. Ze publiceren hun bevindingen in het tijdschrift Nature Astronomy.
Het vermoeden dat dit kon, bestond al langer. Doordat de omstandigheden in de ruimte echter lastig na te bootsen zijn, was het nog nooit gelukt dit te bewijzen.
Methaan op aarde
Methaan is ook wel bekend als de brandbare hoofdcomponent van aardgas. Het bestaat uit een koolstofatoom met vier waterstofatomen - CH4 - en is daarmee een van de eenvoudigste koolwaterstoffen. Op aarde ontstaat het vaak uit tijdens het vergaan van organisch materiaal.
Methaan in de ruimte
Maar 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 geen water, maar vloeibaar methaan. Buiten ons zonnestelsel, in de interstellaire ruimte, is methaanijs een van de tien meest voorkomende ijsvormen.
IJzig stofdeeltje als 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.
Snellere reactie in ijslaagje
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.
Omstandigheden zoals in de ruimte
Het is onderzoekers van het laboratorium voor astrofysica van de Sterrewacht Leiden nu voor het eerst gelukt 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.
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.
Een meetopstelling vol plakkerig koolstof
Maar reacties met koolstofatomen waren tot nu toe een uitdaging. Dat komt doordat 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.'
Water is belangrijk
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.
Methaan ouder dan zonnestelsel
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.
bron: astronomie.nl
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