Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Transcriptie

1 Cover Page The handle holds various files of this Leiden University dissertation. Author: Lamberts, Agneta Luciana Matthanja (Thanja) Title: Unraveling the surface formation of regular and deuterated water in space : a combined laboratory and computational study Issue Date:

2 S A M E N VAT T I N G inleiding Dit proefschrift gaat over het ontrafelen van de vorming van water op het oppervlak van koude stofdeeltjes die zich bevinden in het InterStellair Medium (ISM). In het Sackler Laboratorium voor Astrofysica van de Universiteit Leiden zijn daartoe experimenten uitgevoerd onder condities die zo dicht mogelijk in de buurt komen van die in de ruimte. Bij de afdeling voor Theoretische Chemie aan de Radboud Universiteit Nijmegen is een complementair computermodel gebruikt om de verschillende processen die op het oppervlak plaatsvinden te kunnen onderscheiden van elkaar. De studie naar water in het ISM heeft in het afgelopen decennium veel vooruitgang geboekt, niet in de minste plaats dankzij de ruimtemissie van de erschel Space bservatory. Eén van de belangrijke vragen waarvoor een antwoord werd gezocht is die naar de oorsprong van water op onze eigen planeet. Water is belangrijk voor het leven op aarde, maar het is vooralsnog onduidelijk waar het precies vandaan komt. Dit komt deels door de energetische botsingen tijdens het ontstaan van de aarde en deels doordat de korte afstand van de aarde tot de zon, dat het water op de jonge planeet verdampt zou moeten zijn. Een hypothese is dat water op aarde is gebracht door asteroïdes of komeetinslagen. m er achter te komen wat de precieze oorsprong van water is, wordt gebruik gemaakt van de verhouding tussen regulier water, 2, en zwaarder water, D. Zwaarder water bevat één deuteriumatoom in plaats van een waterstofatoom. Deze verhouding is in het oceaanwater een factor 10 hoger dan de D/ verhouding in de gasfase zoals ontstaan in de jonge jaren van het universum. Deze verhoging is het gevolg van de verhoging van de zogenaamde nulpuntsenergie van de D versus binding. Door D/ 2 in verschillende regio s van het ISM te vergelijken met dat op aarde is er duidelijkheid te krijgen over de meest waarschijnlijke oorsprong van het (oceaan)water. water in het ism p verschillende plekken in de ruimte is water waargenomen, bijvoorbeeld in de geboorteplekken van sterren prestellaire kernen en in geëjecteerde gasstromen rondom net gevormde sterren, maar ook in de resulterende schijven waarin planeten ontstaan. In de recente ruimtemissie naar de komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko is water ook gezien als bestanddeel van de coma. Dit is de materie van de komeet die verdampt door de toename in temperatuur naarmate ze dichterbij de zon komt. oewel water kennelijk tijdens het gehele ster- en planeetvormingsproces kan worden gezien, zijn dit veelal waarnemingen in de gasfase. De meest voor de hand liggende reacties om gasvormig water te produceren zijn echter niet efficiënt genoeg om de hoge concentraties te verklaren: + gevolgd door + 2. et bestaan van interstellair water in de vaste fase, als ijs, werd al gesuggereerd in Vervolgens werd het in 1946 aannemelijk gemaakt dat water op het oppervlak van stofdeeltjes wel kan vormen via de eerder genoemde reacties, bij temperaturen van zo n -260 C. Pas in 1973 is waterijs ook daadwerkelijk waargenomen in de ruimte en paradoxaal genoeg is het juist deze ontdekking die een verklaring biedt voor de eerder genoemde hoge concentraties water in de gasfase. Sterker nog, water is het meest voorkomende vastgevroren molecuul in

3 158 samenvatting het ISM. Verder wordt ook gedacht dat de laag waterijs op stofdeeltjes een rol speelt bij het ontstaan van planeten. De vorming van water op het oppervlak van stofdeeltjes in de donkere wolken die aan de voet staan van het stervormingsproces is heel efficiënt: er kunnen tot zo n 100 lagen watermoleculen geproduceerd worden gedurende de eerste miljoen jaar. p kometen kan de dikte van de laag ijs zelfs oplopen tot meters of kilometers. m de verschillende processen die daarbij een rol spelen goed te kunnen doorgronden, kan gebruik worden gemaakt van de combinatie van oppervlakte-experimenten bij lage temperatuur en theoretische modellen. onderzoeksmethoden De experimentele proefopstelling die gebruikt is voor de studies beschreven in dit proefschrift is weergegeven in figuur 1 (oofdstuk 2). De naam van de opstelling, SURFRESIDE2, is afgeleid van het Engelse SURFace REaction SImulation DEvice. et bestaat onder andere uit een roestvrijstalen kamer onder ultrahoog vacuüm met een gouden substraat in het midden. Dit substraat kan gekoeld worden tot temperaturen vergelijkbaar met die in de donkere wolken in het ISM, tot -263 C. m de vorming van water te bestuderen moeten atomen en/of moleculen die bestaan uit waterstof () en zuurstof () met elkaar kunnen reageren op dit oppervlak. Daartoe zijn verschillende atomaire en moleculaire bundellijnen aangebracht. Aan de hand van absorptie van infrarode straling door het ijs en het bepalen van de massa van de gevormde moleculen kan informatie worden verkregen over de reacties die plaatsvinden. Figuur 1: Experimentele proefopstelling SURFRESIDE2 in het Sackler Laboratorium voor Astrofysica in Leiden.

4 samenvatting 159 et theoretische model (oofdstuk 3), kinetische Monte-Carlosimulaties (KMC), maakt het mogelijk om de verschillende oppervlakteprocessen afzonderlijk te bestuderen: vastvriezen en verdampen van atomen en moleculen, diffusie van reactanten op een oppervlak en de mogelijke reacties wanneer twee deeltjes elkaar ontmoeten. KMC berekent de snelheden van de afzonderlijke processen aan de hand van de waarschijnlijkheid dat ze plaatsvinden en zorgt zo voor een beschrijving van de competitie tussen deze processen. Specifieke informatie over de structuur van het oppervlak kan ook worden meegenomen in de berekening. De aanpak die in dit proefschrift gekozen is voor de combinatie van theorie en experiment begint met het uitvoeren van specifieke experimenten onder gecontroleerde condities. Vervolgens worden diezelfde experimenten gemodelleerd, waarbij de set parameters die de experimenten het best beschrijven wordt opgeslagen. Tot slot wordt het beste model gebruikt om uitspraken te doen over reacties in ijs in het ISM. kmc-simulaties van watervorming De computersimulaties resulteren in een dieper inzicht in het reactienetwerk, bestaande uit 17 reacties (zie ook figuur 2) van de oppervlaktevorming van water. ieruit is geconcludeerd wat de belangrijkste routes zijn voor het ontstaan van water wanneer moleculair zuurstof ( 2 ) en atomair waterstof () met elkaar reageren (oofdstuk 4). Uit de simulaties blijkt verder dat het zogenaamde hydroxyl radicaal,, een cruciaal tussenproduct is. De reactie kan direct gevolgd worden door + 2 2, wat betekent dat er effectief geen meer in het ijs te vinden zou zijn. Dit is echter in tegenspraak met experimenten. Dankzij een uitbreiding van het model kan worden vastgesteld dat de twee gevormde radicalen van elkaar wegbewegen als gevolg van de reactiewarmte waarmee ze ontstaan. Daardoor komen ze toch geïsoleerd voor in het ijs. Dit uitgebreide model is vervolgens gebruikt om interstellaire watervorming onder de loep te nemen. Dit is gedaan voor drie interstellaire omgevingen: diffuse, transparante en donkere wolken. Afhankelijk van de omgeving verschilt de hoeveelheid UV-straling en daarmee ook de reactanten die beschikbaar zijn. Daarom is niet in elke wolk dezelfde route voor watervorming dominant (oofdstuk 5) Figuur 2: Reactienetwerk voor watervorming vanuit zuurstof (, 2 en 3 ) en waterstof ( en 2 ).

5 160 samenvatting een enkele reactieroute Naast de studie naar het hele reactienetwerk is ook gekeken naar één enkele reactieroute daarbinnen, namelijk (oofdstuk 6). De reden daarvoor is dat 2 heel veel voorkomt in de donkere wolken waar de dikste lagen ijs gevonden worden. Wanneer de genoemde reactie efficiënt zou zijn, zou deze het watervormingsproces beheersen. Vanuit een chemisch perspectief bekeken is het echter heel aannemelijk dat de reactie niet tot nauwelijks plaatsvindt. Aan de hand van een gecombineerd experimenteel en theoretisch project is dit inderdaad bevestigd. verdeling van h en d in polair ijs Zoals hierboven beschreven is het onderzoek naar D van belang om te kunnen begrijpen waar het water op aarde vandaan komt. Net zoals water het meest voorkomende molecuul in ijs is, is zwaarder water het meest voorkomende gedeutereerde molecuul. Dit betekent dat wanneer de waterstof- en deuteriumatomen die gebonden zijn aan het zuurstofatoom kunnen uitwisselen met andere atomen in de directe omgeving, dit van invloed kan zijn op de verhouding D/ 2 en vergelijkbare verhoudingen voor andere moleculen zoals methanol (C 3 D/C 3 ) of ammoniak (N 2 D/N 3 ). Dankzij verbeterde meettechnieken is het mogelijk geweest om deze processen te kwantificeren in amorf (niet-kristallijn) ijs. Zowel 2 als D 2 zijn daartoe tegelijkertijd uitgevroren op het substraat en afhankelijk van de toename in substraattemperatuur is te zien dat de - en D-atomen zich herverdelen en zo ook D vormen. lagetemperatuurstudie naar hdo-vorming Wanneer het reactienetwerk zoals weergegeven in figuur 2 wordt verdubbeld zodat ook reacties tussen zuurstof- en deuteriumatomen kunnen plaatsvinden, is al snel duidelijk dat dit ook betekent dat de twee netwerken met elkaar verbonden moeten worden. Twee reacties die deze verbinding tot stand brengen zijn 2 + D + D en D 2 + D + D. Een studie bij lage temperatuur, -258 C, laat zien dat de eerste reactie snel verloopt en de tweede heeft een veel lagere efficiëntie. et werk in dit proefschrift beschreven karakteriseert de vorming van water op ijzige stofdeeltjes in de ruimte vanuit een fysisch-chemisch perspectief. De conclusies die hieruit voortkomen zijn van belang om de aanwezigheid van water in de ruimte en daarmee uiteindelijk ook de aanwezigheid van water op aarde te verklaren.