Chemie tussen de sterren. Ruud Visser Ewine van Dishoeck Sterrewacht Leiden

Transcriptie

1 Chemie tussen de sterren Ruud Visser Ewine van Dishoeck Sterrewacht Leiden

2 Oorsprong van sterren en planeten fascineert de mensheid Stars Kandinsky Starry night Van Gogh Milky Way dreaming Australia aboriginal art Raven stealing Sun Pacific Northwest art

3 Ontdekking van exo-planeten maakt eeuwenoude vragen actueel Waar worden sterren en planeten gevormd? Hoe uniek is ons zonnestelsel? Welke planeten zouden bewoonbaar kunnen zijn? Wat is de chemische samenstelling van het bouwmateriaal van planeten?

4 Onze Melkweg (sterrenstelsel van ~200 miljard sterren) 50,000 lichtjaar Centrum Zon (=1 ster) Deze lezing: zonsomgeving (<1000 lichtjaar van de Zon)

5 Kraamkamers van sterren: Interstellaire wolken Ruimte tussen de sterren is niet leeg, maar is gevuld met heel ijl gas Sterren worden geboren in de dichtere concentraties van het gas (=wolken)

6

7 Orionnevel Christiaan Huygens (1694)

8 Orionnevel: duizenden jonge sterren ESO-VLT ISAAC McCaughrean et al The chaotic material of future Suns W.Herschel (1789)

9 Orionnevel met de Hubble Space Telescope

10 Paardenkopnevel H + + e - H

11 Donkere wolken NGC lichtjaar Massa van wolk varieert van tot zonsmassa s

12 Donkere wolken: kolenzakken 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

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

14 Hoe onderzoeken we wat er in die wolk gebeurt? Optisch Infrarood Langere golflengten! Alves et al. 2001

15 Van zichtbaar naar IR

16 Infraroodtelescopen Very Large Telescope, ESO, Paranal

17 Millimetertelescopen James Clerk Maxwell Telescope, Mauna Kea, Hawaii

18 Ruimtetelescopen ISO Spitzer Groot deel van ruimtestraling in IR en mm wordt geblokkeerd door atmosfeer (i.h.b. H 2 O, O 2 en CO 2 ) Herschel 14 mei 2009 gelanceerd!

19 Periodiek systeem voor astronomen qua aantal (4 1 8) Stofdeeltjes: qua aantal B. McCall 2001

20 Moleculen tussen de sterren Al meer dan 150 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)

21 <1%

22 Moleculen tussen de sterren Al meer dan 150 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!

23 ±150 interstellaire moleculen 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

24 Chemische fabriek in de ruimte! Gibb et al Baken voor plaatsen waar zware sterren gevormd worden

25 Complexe organische moleculen Gedetecteerd (Nog) niet gedetecteerd Azijnzuur Dimethylether Glycine Pyrine Ethanol Suiker Methylcyanide Methylformaat Pyrimidine Caffeine Benzeen Ethylcyanide Gebaseerd op Ehrenfreund 2003

26 Polycyclische Aromatische Koolwaterstoffen (PAH s) PAHN: PAHs met N

27 Buckminsterfullereen C 60 + gedetecteerd in de ruimte?

28 De interstellaire ijscocktail Moleculen bevriezen op koude stofdeeltjes hydrogenatie, bijv. O H2O 0,1 micrometer = 0,0001 millimeter

29 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

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

31 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

32 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

33 Gaschemie

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

35 Stervorming in Orion C.R. O Dell AMNH/SDSC

36 Inventarisatie van ruimte-ijs

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

38 Protoplanetaire schijven Meer dan 70% van jonge sterren omringd door schijf Grootte van schijven vergelijkbaar met ons zonnestelsel Massa van schijven meestal voldoende om zonnestelsel te vormen (1% van massa Zon, 10x massa van Jupiter) => Ingredienten voor vorming planeten zijn overal

39 Organische moleculen in planetengordel van schijf Heet (500 K) C 2 H 2, HCN, CO 2 in binnenste deel schijf

40 Van stof naar planeten (1)

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

42 Exo-planeten versus ons zonnestelsel Ster υ Andromeda Zon Zonnestelsel Aarde Jupiter

43 Eerste beelden exoplaneten Triple systeem Jonge planeten staan op veel grotere afstand van hun ster dan voorspeld!

44 Komeet Hale-Bopp Chemische samenstelling vergelijkbaar met interstellaire ijzen

45 Hoe komt materiaal op jonge planeet?

46 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)

47 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.

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

49 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.

50 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.

51 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.

52 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.

53

54

55 Astrochemie Based on Ehrenfreund & Charnley 2000 Wat zijn de bouwstenen voor leven elders in het heelal?

56 Future space missions: infrared James Webb Space Telescope (successor of Hubble Space Telescope) Herschel Space Observatory Launch m Launch m H 2 O!

57 Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array - Llano de Chajnantor

58 Artist impression exo-planetary system Planet Star Moon