Chemische Processen in de Ruimte

Transcriptie

1 Chemische Processen in de Ruimte van interstellaire stofwolken tot leven Ruud Visser Promovendus, Sterrewacht Leiden 16 februari 2010

2 Sterrewacht Leiden

3 Astrochemiegroep Prof. Ewine van Dishoeck Prof. Harold Linnartz Dr. Michiel Hogerheijde ±5 postdocs ±12 promovendi (aio s)

4 Indeling Introductie: de eerste moleculen Kringloop van elementen Chemische processen Hoe zou leven ontstaan kunnen zijn? Hoe detecteren we moleculen? Voorbeelden observaties en experimenten

5 Scheikunde Stoffen reageren met elkaar en worden iets anders Aardgas + zuurstof kooldioxide + water CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O

6 Periodiek systeem der elementen Combinaties van elementen geven chemische verbindingen = moleculen CH 4, O 2, CO 2, H 2 O,

7 Elementen in de ruimte

8 De eerste moleculen z t mjn 620 mjn 870 mjn 2,1 mjd mjn Figuur door Karin Öberg

9 Indeling Introductie: de eerste moleculen Kringloop van elementen Chemische processen Hoe zou leven ontstaan kunnen zijn? Hoe detecteren we moleculen? Voorbeelden observaties en experimenten

10 Kringloop van elementen Wolken van gas en stof De dood van een oude ster Stervorming Recycling van gas en stof Een nieuw zonnestelsel

11 Kringloop van elementen Wolken van gas en stof De dood van een oude ster Stervorming Recycling van gas en stof Een nieuw zonnestelsel

12 Orion M. Spinelli

13 Orionnevel Kraamkamer van sterren NASA, ESA, M. Robberto (STScI/ESA)

14 Paardenhoofdnevel H + + e - H R. Steinberg & Family, A. Block, NOAO, AURA, NSF

15 Donkere wolken 99 massa% gas 1 massa% stof ( zand ) Temperatuur: -263 C (10 K) Dichtheid: ~ deeltjes per kubieke cm (ten opzichte van op aarde) Unieke omgeving voor reacties

16 Tijdschalen Botstijd deeltjes: ± 1 maand Reactietijd: ± jaar Stervorming: ± jaar Levensduur wolk: ± jaar Levensduur ster: ± jaar

17 Kringloop van elementen Wolken van gas en stof De dood van een oude ster Stervorming Recycling van gas en stof Een nieuw zonnestelsel

18 Ster- en planeetvorming uitstroom Factor 1000 kleiner inval Wolk stort in t = 0 Roterende schijf t = jr Planeetvorming t = 10 mln jr Zonnestelsel t > 100 mln jr Fig. by McCaughrean

19 Grootte schijf: AE = x Zon-Aarde = 2-6 x Zon-Pluto Protoplanetaire schijven (1)

20 Protoplanetaire schijven (2) Meer dan 50% van jonge sterren is omgeven door schijven Groottes schijven vergelijkbaar met ons eigen zonnestelsel Meestal genoeg massa voor het vormen van een zonnestelsel (10x massa van Jupiter)

21 Bouwstenen voor planeten NASA/ JPL-Caltech/ R. Hurt (SSC)

22 Van stof naar planeten (1)

23 Van stof naar planeten (2) NASA/ JPL-Caltech/ R. Hurt (SSC)

24 Verschillende condities Randen: warm tot heet lage dichtheid veel straling Binnenin ontstaan grotere moleculen Origineel: A. Gomez (CTIO/ NOAO), Hubble Heritage Team, NASA Binnenin: koud hoge dichtheid weinig straling

25 Kringloop van elementen Wolken van gas en stof De dood van een oude ster Stervorming Recycling van gas en stof Een nieuw zonnestelsel

26 Sterrendood H O S e - Het interstellair medium wordt verrijkt met zwaardere elementen

27 Indeling Introductie: de eerste moleculen Kringloop van elementen Chemische processen Hoe zou leven ontstaan kunnen zijn? Hoe detecteren we moleculen? Voorbeelden observaties en experimenten

28 Moleculen in de ruimte (1) Al meer dan 120 verschillende moleculen gevonden in de ruimte Heel gewone moleculen: CO (koolmonoxide) CO 2 (kooldioxide) H 2 O (water) NH 3 (ammonia) CH 3 OH (methanol) CH 3 CH 2 OH (alcohol)

29

30 Moleculen in de ruimte (1) Al meer dan 120 verschillende moleculen gevonden in de ruimte Heel gewone moleculen: CO, CO 2, H 2 O, NH 3, CH 3 OH, CH 2 OH, Exotische moleculen: HCO +, N 2 H +, HCCCCCCCN, Soms moeilijk na te maken in het lab!

31 Moleculen in de ruimte (2) H 2 AlF AlCl C 2 CH CH + CN CO CO + CP CSi HCl KCl NH NO NS NaCl OH PN SO SO + SiN SiO SiS CS HF C 3 C 2 H C 2 O C 2 S CH 2 HCN HCO HCO + HCS + HOC + H 2 O H 2 S HNC HNO MgCN MgNC N 2 H + N 2 O NaCN OCS SO 2 c-sic 2 CO 2 NH 2 H 3 + c-c 3 H l-c 3 H C 3 N C 3 O C 3 S C 2 H 2 CH2D + HCCN HCNH + HNCO HNCS HOCO + H 2 CO H 2 CN H 2 CS H 3 O + NH 3 SiC 3 C 5 C 4 H C 4 Si l-c 3 H 2 c-c 3 H 2 CH 2 CN CH 4 HC 3 N HC 2 NC HCOOH H 2 CHN H 2 C 2 O H 2 NCN HNC 3 SiH 4 H 2 COH + C 5 H l-h 2 C 4 C 2 H 4 CH 3 CN CH 3 NC CH 3 OH CH 3 SH HC 3 NH + HC 2 CHO NH 2 CHO C 5 N C 6 H CH 2 CHCN CH 3 C 2 H HC 5 N HCOCH 3 NH 2 CH 3 c-c 2 H 4 O CH 2 CHOH CH 3 C 3 N HCOOCH 3 CH 3 COOH? C 7 H H 2 C 6 CH 2 OHCHO CH 3 C 4 H CH 3 CH 2 CN (CH 3 ) 2 O CH 3 CH 2 OH HC 7 N C 8 H CH 3 C 5 N (CH 3 ) 2 CO NH 2 CH 2 COOH? HC 9 N HC 11 N

32 Reacties in gasfase Temperatuur te laag voor reacties met energiebarrière barrière energie reactanten Dichtheid laag: slechts twee deeltjes per keer producten

33 Stof en ijs Lage temperatuur: gasmoleculen vriezen vast op stof 0,1 micrometer = 0,0001 millimeter

34 Reacties op stof en ijs (1) AB desorptie AB weerkaatsing AB diffusie adsorptie AB AB AB Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop

35 Reacties op stof en ijs (2) Eley-Rideal Langmuir-Hinshelwood A A 2 B B A 2 B A 2 A 2 diffusion B AB A 2 B AB A Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop

36 Reacties op stof en ijs (3) hν e - hν B 2 D A 2 A A AB B BD e - AB + e - e - Figuur door Helen Fraser en Suzanne Bisschop

37 IJschemie Moleculen vormen ijs op stofdeeltjes in koude omgevingen Nieuwe moleculen worden gevormd op deze stofdeeltjes Deze moleculen verdampen wanneer ze opgewarmd worden Moleculen kunnen verder reageren in de gasfase

38 Gaschemie

39 Belang van deze processen Moleculen kunnen het gas koelen Organische moleculen komen in nieuwe zonnestelsels terecht: begin van biomoleculen? Moleculen geven informatie over de omstandigheden zoals dichtheid, temperatuur en straling

40 Indeling Introductie: de eerste moleculen Kringloop van elementen Chemische processen Hoe zou leven ontstaan kunnen zijn? Hoe detecteren we moleculen? Voorbeelden observaties en experimenten

41 Urey-Miller-experiment (1953) Origineel experiment: water, waterstof, methaan en ammonia met vonken (bliksem) Veel organische moleculen Echter, atmosfeer van de jonge Aarde was vooral koolmonoxide en stikstof, met klein beetje waterstof en zwavelhoudende gassen Veel minder organische moleculen

42 Vulkanisme Vulkanische activiteit op jonge Aarde zou organisch materiaal geproduceerd kunnen hebben

43 Leven uit de ruimte? Komeet Hale-Bopp

44 Organisch materiaal in meteorieten Aminozuren Suikers Glycerol Water Kunnen deze een komeetinslag overleven?

45 Komeetinslagen op jonge planeten Kometen bestaan voor een groot deel uit organisch materiaal In de jonge dagen (100 miljoen jaar) van de Aarde waren er veel inslagen De jonge Aarde was heel heet maar in latere tijden kunnen enkele kometen hebben overleefd

46 Indeling Introductie: de eerste moleculen Kringloop van elementen Chemische processen Hoe zou leven ontstaan kunnen zijn? Hoe detecteren we moleculen? Voorbeelden observaties en experimenten

47 Onderzoek aan moleculen in Waarnemingen vanaf Aarde en vanuit ruimte stervormingsgebieden Computermodellen Experimenten

48 Hoe zien we moleculen? Röntgen UV zichtbaar IR radio vibraties rotaties

49 Van zichtbaar naar IR

50 Indeling Introductie: de eerste moleculen Kringloop van elementen Chemische processen Hoe zou leven ontstaan kunnen zijn? Hoe detecteren we moleculen? Voorbeelden observaties en experimenten

51 Zonnespectrum (Fraunhofer-lijnen) calcium, ijzer waterstof ijzer, magnesium natrium nm

52 Spectrum protoplanetaire schijf

53 Ruimte in het laboratorium Ultrahoog vacuum: deeltjes/cm 3 (ruimte: ± ) Temperatuur variabel: -263 C tot kamer Analysetechnieken: infraroodspectroscopie (info over het ijs) massaspectrometrie (info over het gas)

54 Vorming van methanol CO-ijs bestraald met H-atomen CO HCO H 2 CO CH 3 O CH 3 OH koolmonoxide formaldehyde methanol Guido Fuchs et al.

55 Complexe ijsprocessesen CO H HCO H H 2 CO H CH 3 O H CH 3 OH Karin Öberg et al.

56 Complexe ijsprocessesen CO H UV HCO H UV H 2 CO UV H CH 3 O UV H CH 3 OH Karin Öberg et al.

57 Complexe ijsprocessesen CO H UV HCO H UV H 2 CO UV H CH 3 O UV H CH 3 OH UV H UV CH 2 OH Karin Öberg et al.

58 Complexe ijsprocessesen CO H UV HCO H H 2 CO UV UV H CH 3 O UV H CH 3 OH UV H CH 3 H UV CH 4 UV H UV CH 2 OH Karin Öberg et al.

59 Complexe ijsprocessesen CO CH 3 OCH 3 H UV CH 3 CH 3 O HCO CH 3 O CH 3 CHO CH 3 CHO H H 2 CO UV UV H CHO CH 3 O UV H CH 3 OH UV H CHO CH 3 H UV CH 4 CH 2 OH UV CH 2 OHCHO CHO H UV CH 2 OH CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 OH (CH 2 OH) 2 Karin Öberg et al.

60